Question

“地理两极和地磁两极不重合”是怎么发现的

我国宋代著名学者沈括

Answer 1

在利用悬缕法进行测试时，沈括发现磁针所指并非方位盘上的正南方向，其南端“常微偏东”，从而首次发现并记录了地磁偏角现象。 地球磁极又称“地磁极”。地球表面上地磁场方向与地面垂直、磁场强度最大的地方，称为地磁极。地磁极有两个（磁北极和磁南极），其位置与地理两极接近，但不重合。现代地球的磁极其地理坐标分别是：北纬76°1′，西经100°和南纬65°8′，东经139°。
在最近几百万年的时间里，地球的磁极已经发生过多次颠倒：从69万年前到目前为止，地球的方向一直保持着相同的方向，为正向期；从235万年前至69万年前，地球磁场的方向与现在相反，为反向期；从332万年前到235万年前，地球磁场为正向期；从450万年前至332万年前，地球磁场为反向期。

地球磁极是在不停的运动,下面这篇文章供你参考!

地球飞舞的盾牌
大概在2000多年前战国时代，我们的祖先就发现，天然的磁石能够稳定地指示地面的绝对方向，因此发明了司南，初步体验到了大地冥冥之中存在一种神秘力量；随后的1000年里，人们逐渐学会了在更多的领域利用这个现象，到了宋朝就已经在航海时广泛地运用灵巧的指南鱼和指南针导航，为后来的郑和与哥伦布实现远洋航海提供了重要的技术保障。随着环球航海的兴盛与电磁学的建立，人们发现指南针的奥秘全在于地球本身是一个大磁铁，正是由于这个大磁铁的磁极方向恰好稳定在接近地球自转轴的方向上，所以它的磁场方向在地球表面的大部分地区，都近似地表示了地面的南北方位。

如果说利用地磁导航对于人类来说还不是不可或缺的，因为我们还可以利用星辰和惯性等等其他方法来进行导航，那么在进入20世纪后，人们进一步发现，地球磁场其实还为人类乃至地球上的一切生命提供了至关重要的保护作用，甚至可以说，如果地球没有这个大磁铁所产生的磁场，生命就几乎没有可能在地球出现与生存下去，因为地球磁场阻挡了绝大部分的来自太空的带电“子弹雨”－宇宙射线。

地球的护生盾牌
最早让人们发现地磁场的这种保护作用的是美丽的极光。人们通过仔细地观测在高纬度地区天空常见的如九天瀑布一般的、如梦如幻的极光，发现她们是由漫天而来的宇宙高能带电粒子雨撞击大气分子而产生的发光现象。这种宇宙射线主要来自太阳，也包含来自四面八方的宇宙射线，那么在正对着太阳的赤道天空应该能够看到更多的极光现象，为什么我们只能在接近极地的高纬度地区看到呢？正是由于地磁场的作用，使得带电粒子在进入地磁场后，都顺着磁力线奔向南北两个磁极，这才使得粒子雨只降落在高纬度地区。

宇宙高能粒子在撞击生命大分子后，具有强大的破坏作用，尽管经过厚实的大气层的拦阻，但高流量的太阳风宇宙射线还是有可能直接打击到地面，那么在高纬度地区看极光岂不是非常危险？1958年2月，美国在其发射的第一颗人造卫星"探险者1"号上面就装备了专门测量宇宙射线强度的盖格计数器，解答了这个疑问。科学家们发现，卫星的高度在600公里以下时，计数器的测量结果还是正常的，但当卫星达到800公里以上的高度后，计数器马上进入饱和状态，乃至无法正常工作。由于只有在所测得的宇宙线强度比预计的大1万5千倍时，才能够导致计数器饱和，因此这个结果意味着在地球约800公里以上的高空存在一个强烈的充满了太阳风和宇宙射线的地带。美国物理学家J·A·范艾伦认为这个把整个地球包围着的高辐射地带，是由于太阳风和宇宙射线粒子在抵近地球时，被地磁场俘获而转变运动方向，从而稳定地被关闭在地球上空某一区域里形成的，因此大部分的带电粒子实际上是被地磁场滞留在这个地带，而并没有撒向大地。后来大规模的卫星探测证明了这个理论设想，还发现地球的辐射带分为内辐射带和外辐射带，它们都对称地分布在地磁场的两侧，而不是存在于高磁纬地区的上空。

更全面的卫星观测发现，地球磁层始于距离地面大约600-1000公里处，在面向太阳的一侧，磁层的磁力线也受到太阳风的影响而向地面压缩，产生一个半球形的包层，称为磁层顶区；在背向太阳的一侧则向外延伸，一直到约10倍地球半径的地方，称为磁层尾区。

所以我们还是得庆幸地球拥有一个强大的地磁场，能够让直冲地面而来的致命粒子雨偏转为围绕地球转，再泄漏一点点飞向极地，让我们能够安全地欣赏到绚丽的极光。

不过，在人们庆幸的同时却惊异地发现，这个产生了巨大地磁场来周密地保护地球的地球磁铁，实际上并不是稳定的，而是一直在地球内部运动着，其相应磁场的大小和方向都一直在发生变化。在地球过去漫长的历史当中，这种运动导致地球磁极不断发生倒转。这又令人产生一种隐忧，就是地球磁场的方向与强度的这种变化会不会影响我们的生存？毕竟它是地球上一切生命的保命盾牌啊！

斑斓的磁场
人们在世界各地记录当地的地磁场方向和强度，大概已经有了400年的历史了；后来科学家们又发现在火山熔岩和大陆与海底的地质沉积物当中，能够找到更加久远的历史上的地磁记录。所有这些数据都告诉我们，地球磁场的空间分布非常复杂，反映了它的产生机制也非常复杂，决不是可以简单地想象为由一根南北向的磁铁棒所发出的；而地磁场的方向与强度在漫长的历史当中随着时间而发生的变迁，也是充满了未解之谜。

从约400年前开始，在全球各大洋活跃的航海家们已经学会随时随地地记录地磁方向或强度；到了20世纪，科学家们更是针对性地在全球各个位置进行地磁实地测量，或者运用人造卫星从太空进行大范围观测。把所有这些数据收集起来，就可以绘制一张全球地面磁场分布的400年演变历史地图。从这张地图可以发现，在这400年间，尽管主要的南北磁极的位置也有一定的变化，但更加引人注目的，是在地表还散布着一系列相对较弱的磁极，它们主要是异性相间地沿着赤道分布，而这些磁极以平均每年约17公里的速度沿着赤道向西移动。尽管这些较弱的磁极所产生的磁场强度只有南北磁极所产生的地磁场强度的约10％，但它们应该和南北磁场具有相同的起源，而且这些弱磁极的运动，也应该和南北磁极的运动一起，构成一个整体的地球内部磁场变化的不同方面。

现在一般认为，地磁场是由处于地幔之下、地核外层的高温液态铁镍环流引起的。通过对天然或人为的地震波的测量，人们发现地核外层是温度最高的、液态的铁镍合金，高温下液态金属产生对流与环流，形成类似金属导线线圈的结构，从而产生电流与磁场。这样地球主要的南北向磁场固然表明了存在一个主要的金属环流，而地表其他位置出现的磁极，也表明还存在一些次要的能够形成磁极的金属流。因此科学家们推测，之所以沿着赤道出现弱磁极的西向移动，有两种可能的机制：一种可能性是沿着赤道方向存在一种称为赤道喷射的向西输运地核流体的过程，其中所产生的金属流导致了弱磁极的移动，而在旋转对流系统的实验室研究中，也发现了这种沿着赤道的西向输运过程；另一种可能性则是一种被称为MAC波的机制，综合了对流、磁场的不稳定性以及地球自转这三种作用，然后这种MAC波的传播导致了弱磁极的移动。

目前还难以判断到底哪种机制更加真实，对于这种弱磁极的移动是不是在整个地球历史中长期持续、以及是不是和南北主磁极以约45万年为周期进行倒转存在关联，也还存在很大的争议，因为人类对于地球内部的了解还不如对月球表面的了解多，这就使得我们不得不更加全面地去监测地球表面斑斓的磁场变化，以及寻求更多地获取来自地球深处的信息。

流浪的磁极与逍遥的地球
在弱磁极漂移的同时，主要的南北磁极同样在流浪。由于火山熔岩和沉积物的成岩年代能够通过地质学方法确定下来，这样其成岩时期所受到的磁场作用痕迹就被固化下来，然后通过对残留在火山熔岩和沉积层当中的磁场作用遗迹进行测量，就可以确定当地在某个历史时期的地磁状况。通过这种地质地磁学研究，科学家们已经对于迄今3000年和迄今5百万年这两个时间段的地磁变化有了比较详细的了解。

不过相比于在近几百年之内才开始的直接地磁测量，运用地质方法间接测量几百万年时间范围内的地磁具有一定的局限性。对于火成岩可以测量绝对的地磁场强度，但火成岩在地球分布范围有限，时间分布范围也有限；对于分布更加广泛的沉积物则只能测量相对地磁强度，而且缺乏同一个地点的长期沉积物地磁记录。一直到10年前，一组科学家首次报道了覆盖时间范围到4百万年前的沉积物地磁记录，发现在这4百万年间，地磁极发生了多次倒转，并且肯定了在20世纪60年代就已经得到的一个结论，即在磁极倒转过程中，磁场强度会减弱。而最近，在海底钻探项目（ODP）当中，通过对甚高沉降率核的分析，获得了非常清晰的迄今80万年的地磁强度记录，再次确凿表明了在地磁极倒转过程中，地磁强度会减弱。

同时另外一组科学家也找到了比火成岩更好的能够记录绝对磁场强度的样本，即一种海底玄武岩类玻璃（SBG），从而得到了迄今5百万年的绝对磁场强度记录，大大增加了我们对于这段历史的地磁演变史的知识。

这些证据提示了在地磁强度变化和地磁极位置变化之间应该具有一定的关系，而要想更加了解这种关系，就需要获得更多的同时表明了磁极位置和磁场强度的记录。最近一组科学家通过对ODP项目的样品进行分析，发现在地磁强度和地球的空间运动状态，例如其围绕太阳的轨道偏心率、轨道平面的倾斜度以及地球的进动，存在一种未必是巧合的周期性关联。尽管目前对于这个现象的解释还存在很大的争论，但不失为一个把磁极位置变化和磁场强度变化联系起来的很好线索。

一般而言，目前我们对于地磁历史的强度资料和方向资料还是没法建立太多的关联，不过这并不妨碍我们对理解地磁场的复杂起源有了更多的信心。目前越来越多的科学家相信，地磁场的方向以及强度的变化，既源自地幔底层与地核外层的相互作用，也受到地球本身自转以及轨道运动的影响，因此磁极满地球的流浪，其实和地球本身在太空的遨游密切相关。然后地球磁极方向与磁场强度的变化，又直接导致地球外部磁场的变化。可以想像，从地球诞生和围绕太阳旋转以来，她一定是飞舞着地磁场这块盾牌，且舞且行着的。不过这种舞蹈究竟对于我们在地球的生存会产生什么后果，则还有待科学家们进一步的研究。