地球物理学中微物理场的研究

中国地震局地球物理研究所    陈英方

中国地震台网中心           崔秋文

中国地震局地球物理研究所    陈长林

摘自《震害防御与法制建设》2006年4月

一、地球具有磁场和重力场是地球行星的一种自然特征

如果把地球比做一块磁石，那么它就具有磁性，由磁畴内小磁铁南北两极结构形成的指南指北表示出来。地磁学形成地球物理学中一个独立的学科，是在20世纪初期。经过近50年的发展，到20世纪60年代空间探测技术推动了地磁学创新研究的发展。70年代重要的研究方向有两个，一个是海洋地磁场研究，一个是空间地磁场研究。美国大气与海洋测量局编绘了太平洋与大西洋地磁场分布图，制海权的问题被提了出来。不久，大量的卫星地磁测量成图，又提出了制空权的敏感问题。地磁场发电机理论被证实是正确的模型，并提出了“凡是有液态铁核的行星均有磁场结构”的理念，从而掀起了太阳系行星系统磁场的探测热潮，有证据表明，金星、水星、火星、土星具有磁场，形成磁层结构。地球的卫星，月球经探测， 证明没有磁场。天王星和海王星的磁层距其球心为27.0个天王星球半径，和27.0个海王星球半径。80年代美国航空航天局科学家提出了地磁场与行星际磁场的重联概念，着重讨论了地磁场的作用范围问题(11-13个地球半径)，发现磁层暴对宇航员和宇航技术有破坏和干扰的影响，在国防部关于制空权的讨论中提出了地磁场与行星际磁场重联的探测计划和地磁场扰动过程及其对人类宇航活动的影响研究计划(分四类11个项目)，之后，美国国家研究委员会经过整合，提出了美国地磁学创新研究及其应用计划，特别针对地磁导航、精确制导等军民两用的研发。

二、地磁学创新研究计划的主要内容

英文“灾害”一词(Disaster)来源于拉丁语“灾星”一词(Badstar)， 通常是指带来厄运的彗星。实际上，太空确实在影响着人类的生活。太阳的日冕结构会喷发一种强烈的太阳风带电粒子流。当这种日冕爆发到达地球两极时产生了色彩斑斓的各种极光，它就是太阳风粒子进到地球外层大气激发而成的霓虹灯管似的发光现象。这种太空气象(或称“空间天气”)对地球上的人类活动有破坏性，使在轨卫星的电子系统功能失灵，给城市的电讯因电磁干扰而中断，长输电网的变压器因过载电压而烧毁，对军事上精确制导、匹配地磁导航也造成很大的威胁。这种现象虽不是经常发生，但是空间磁场发生爆发时，对经济活动和军事行动还有很大影响的，已经引起政府部门和科学部门的极大注意，制定计划、加强研究，提出减轻和消除的措施， 以保障人类活动的安全。

1、地磁场扰动效应事件史研究。

专门收集整理全球扰动事件的时空分布资料，编出年史数据资料库。

2、地磁场结构、要素和时空变化的观测。

这项课题涉及时间范围主要从20 世纪20年代到20世纪末；地域范围有陆地、海洋、海岛、洋脊、全球高山、湖泊、暗海、火山、陨坑、湿地、沙漠、南北两极、大陆磁异常区、海洋磁异常区、数百个军事基地等；观测时间变化则包括长期变化，年变化、月变化、季变化、日变化，特定的周期变化和非周期变化，瞬时变化等 ；涉及的地球大气层一一地球磁层、以至于太阳系各行星的磁层与行星际磁场测量，则构成了空间地磁天气或宇宙天气、太空物理学的重要组成部分。美国国家航天局在1999年的回顾与展望报告中曾提出编制地球空间和类地球行星际空间地磁场探测和数字地球计划，经过3年的努力，已经初步编成了这种集成性数字地球，为科学研究、宇航产业、军事防务等活动提供了一种便捷的共享数字地球工具。直到目前，美国编成了地球表面重力、地磁、形变应力等各要素数据库和大气层、海洋、地球内部构造数据库。数字地球是对真实地球及其相关现象的统一的数字化的认识，是以因特网为基础，以空间数据为依托，以虚拟现实技术为特征，具有三维界面和多种分辨率的浏览器。数字地球实质上是一个特别巨大的、具有空间性、数字化、可视化和整体性的地球系统。

3. 全球大陆的地磁场测量与编图。

人类步行可到达地点、人工测量获取的地磁要素数据，人类步行不能到达地点、航空测量、火箭卫星测量获取的地磁要素数据。以此测量数据为基础，编成五年为有效期的年代地磁图。这些图可与国际地磁机构编成的国际地磁参考场(IGRF) 进行比较。

4. 世界地磁异常区的测量与研究。

这是地球岩石圈动力学与岩石圈地磁场研究计划中的课题，主要讨论地磁场在岩石圈演化过程中的作用。

5. 海洋地磁场测量。

这是一项应用性很强的研究课题。如前所述，它所涉及的地点很广。占全球总面积70%地域磁场测量已有过千次，编出的海洋磁图总有很多缺陷，阻碍了对海洋磁场的认识深度。美国国防部在20世纪末的《海防战略》提出了世界大洋地磁场测量与制海权的关系问题，这与大约同时提出的太空磁场信息与制空权的关系问题，是同类性质的问题。海洋地磁场测量与研究包括以下几个部分：①海洋地域的电磁场环境测量，包括有史以来，积累的海洋磁测资料整理，海洋电磁事件的记录，海洋电磁测量与社会生活的专项资料(测量方法与工具，实验室试验，海测船支装备，罗盘与陀罗仪等为②海洋地磁要素的测量与编图，包括1940、1950、1960、1970、1980、1990六个年代的海域地磁图，2000和2005年海洋地磁测量新方法试验，地球南极和北极海洋磁测；③海洋电导率及其变化的测量，包括电导率的深度变化，特殊海洋地质结构处的电导率与地磁要素测量，运动物体在一些特殊地质部位造成的电导率和地磁场变化测量，停靠场所和储仓部位磁场测量；④海洋洋脊、洋底岩浆囊、黑洞、海峡、海沟、板块俯冲、断裂带、碰撞地块、陨石坑、火山喷口、生物聚居地、海岸、海湾、海岛(群)等处的磁测；⑤海岸带、海军基地及舰艇停靠地、军备与军事火炮火箭发射场，以及海下实验室仓储等地的磁测。

海洋海域地磁测量与研究指向下列应用：

①解释海洋构造的物理化学性质，进行岩石学、地质构造、岩浆学的研究及构造演化过程及影响；

②划定火山喷发区，评估火山爆发危险性；

③划定地震活动区，评估地震危险性；

④地热开发和资源评估；

⑤岩爆、滑坡、断裂等地质灾害的评估；

⑥评估海啸危险性；

⑦评估碳氢化合物的开发；

⑧石油天然气的开发；

⑨海洋传输系统(通讯、电力、影视)的建设；

⑩有毒气体和有害物质储存地点的选定；

⑾淡水开发；

⑿水文地质、洋流体力学研究；

⒀潜水艇等停靠泊地址的选择；

⒁海下发射场的选址；

⒂海洋监测活动；

⒃海洋三维成像技术，特别是深海海底成像技术的开发已提到日程，这对海洋地磁场异常的监测和海洋电磁感应的研究，以及近海远海的航行、停泊、精确制导和防御有重要的意义。海洋在环境加热的长期储存和转换起着重要作用，对气候变化影响很大。海水是导电的优良导体，可以产生可测量的电场。周期大于一天的电场，在海洋任何地点可以观测到平均电压。因此，海洋的电磁辐射测量对观测大尺度动力学变化和监测长期气候变化、海洋气候的变化是极为有效的方法。美国海军部的海洋电磁感应研究、三维成像技术和海洋洋流动力研究、海洋气候变化监测诸计划的实施结果、为海洋战略中掌握制海权提供了重要的技术支撑条件。

三、地球物理学微物理场的研究

美国国家研究委员会组织国家基金会、国防部、国家科学院及几个相关的物理、信息研究部门，于1995年10月在华盛顿专门讨论了地球物理学微物理场的探测研究问题。会后提出的微物理场、微电子探测技术与国家防务应用的建议报告(非准确的提法)，经国会批准已实施了几个年度，取得许多相当丰富的成果。

日地系统扰动过程研究及对人类生产生活的影响，在改变和提高人们对其生存的地球空间环境的认识和利用水平，对推动其他有关基础学科(天体物理、地球物理、等离子体物理、非线性科学、生命科学、工程科学等)的发展，有重大的科学意义。日地空间各种扰动过程(地磁扰动、天电扰动、宇宙线、极光、地磁脉动、磁暴、流星、小行星等空间物理现象)对航天活动和空间通讯、导航、制导来说，常常起着破坏干扰作用，对人类生存环境和生产活动(如地面短波通讯、电视图象模糊、地球物理探测数据失真失效、大电网变压器失火失控、输油输气管道自然起火等空间天气灾害)有直接的严重影响。面临着灾害威胁，社会和国家都提出了迫切的要求，监测预测和减轻空间天气灾害(参阅香山科学会议有关资料)。

美国地球物理学微物理场研究计划的重要内容包括：

1.微重力研究，是指在重力场中，采取技术措施，使一个有限区域内，重力加速度小于应有的重力加速度值，该区域内的物体显示“失重”，失重达到某种较大程度如失去99%以上时，则获得了微重力。微重力实质上是对失重环境的模拟，是指所有加速度表现的力，它是一个矢量，虽不完全是重力，但还统称为微重力，标记为μg，但不一定是米制中的10-6。在航天飞行中，即使非常小的加速度，对不同的实验，有不同的影响，有特别敏感的，则可 使实验结果与期望值有较大偏离(潘厚仁语)。

2. 微磁场探测研究，太阳系的太阳、地球、木星、土星、天王、海王星都有磁场。天体的磁场不仅表征了其本身的特性，而且对其周围的环境造成很大影响。太阳磁场对整个行星空间的影响一直是空间物理学日地关系探测研究的主题。空间磁场的测量由磁通门磁力仪、光泵磁力仪、质子磁力仪在空间直接测量磁场的方向、强度和变化，量程可达60000nT，最大精度可达±4nT，测向精度达0.01度。

微磁场的另一领域是铁磁物质磁畴理论中的磁化场。铁磁物质所以具有磁化作用，就是因为一个很微小的铁磁物质体积内天生的自生的磁化作用，即单位体积内所具有的磁矩。利用这一微小磁矩来计算铁磁物质的磁畴内的磁化作用。在铁磁物质中，微磁场是指磁畴体积内磁矩的大小，即磁化强度的大小。在地球等行星磁层物理领域中，微磁场的测量意指磁暴，磁脉动的测量，即地磁扰动变化场，可以标记为μH。

3.微粒子流场 ( 等离子体微流体场 )；

4.微波场和微子流场都是太阳辐射场的二重性，即光的粒子辐射和波辐射；

5.微电磁辐射；

6.微压力场；

7.微流量场、微尘；

8.微震动，如日震、月震、地震场；

9.中微子辐射；

10.黑洞场；

11.星际或行星，或太阳的远古粒子场。