投稿類別：地球科學類

投稿類別 : 地球科學類 篇名 : 作者 : 李泳誼 國立竹南高中 高二 4 班 指導老師 : 吳郁娟老師

壹 前言 一 研究動機 以前常常思考為何人類可以如此安定的生活在地球上, 除了生物課中提到的 陽光 空氣 水 大地之外, 還需要甚麼其他的要素嗎? 直到高一時在課堂上接觸到地磁相關資訊, 才了解到地磁也是地球的防護罩之一, 並開始對這地球如何能產生這麼大一片的隱形防護網感到好奇, 甚至, 在生活中偶爾也會出現一些電影情節也是以地磁為題材, 然而無論是在課堂上或是電影劇情中皆礙於時間的限制而無法提供詳細的知識, 因此, 如此虛幻的磁場喚起了我的求知慾, 所以決定廣博收集資料, 希望能更進一步的探索並了解何以只是單單一個無形的磁場, 就能成為一個星球生命的必頇? 並探索磁場在生活中是否還有甚麼應用? 與人類又有什麼密切的關係? 二 研究目的 ( 一 ) 探討的球磁場是如何形成的 ( 二 ) 探討地磁在科學研究上的應用 ( 三 ) 探討磁層變化可能帶來的影響 三 研究方法 透過借閱圖書館相關叢書以及網路上相關的資訊加以整理, 在分析過後所得 到的結論 貳 正文 : 一 為什麼地球有磁場? 孙宙中的天體普遍都具有磁場 ( 註一 ), 對於這些天體為什麼擁有磁場科 學家目前正在努力瞭解當中, 但是對於生活在地球上的地球人來說, 了解地球磁 場的成因應該比其他天體更為優先 在人類科技還沒有如現今進步的時候, 早期的中國已經有指南針的出現, 並 實際應用在戰爭中, 雖然當時我們對於地磁的了解並不多, 但人們依靠推論及哲 學性的思考猜測, 普遍已經認知到磁場的存在 1

直到 16 世紀時, 西方的科學家吉伯特 (William Gilbert,1544-1603) 首先提出了 永久地磁假說 詴圖解釋地磁的成因, 他認為地球內部存在一個大磁鐵 ( 見圖一 ), 就如同 10 元商店購買的棒狀偶極磁鐵一般, 有 N 極與 S 極, 影響著周圍, 當磁針靠近磁鐵時, 會沿著磁力線轉動, 所以磁針總是會朝著同一個方向 自此之後, 有關地磁成因的學說如雨後春筍般的一一被提出 後來, 居禮夫人 ( Marie Skłodowska-Curie,1867-1934) 發現當帶磁物質超過一臨界溫度時會完全失去其原有的磁性, 此臨界溫度因此被稱為居禮溫度 ( 或居禮點 ) 居禮點的發現, 間接證明了一項事實 : 由於地核內部主要組成物質為鐵 鎳, 而 在地心裡, 溫度高達攝氏 7000 度 ( 註二 ), 這種環境下早就遠遠的超過兩者的居禮點 ( 鐵的居禮點圖一 永久地磁假說為 770, 鎳為 358 ), 故此狀態下的鐵 鎳應該是沒有任何磁性的, 所以從此之後 永久地磁假說 就漸漸不受關注了 19 世紀, 馬克士威 (James Clerk Maxwell,1831-1879) 發現了電流和磁場的關係, 讓科學家們又多了一個新的方向開始重新思考, 地球是否為一巨大電磁效應下的發電機? 然而構成一個發電機, 又需要具備怎樣的條件呢? 地球內部需要有大團的導體物質 他要能夠流動, 還要足夠的動力跟來源來驅動, 並且長期維持這樣的流動 ( 註三 ), 因此, 我們知道在高溫的外核中, 鐵是呈熔融的流體狀態, 當金屬呈熔融狀態時為良導體 如圖二所示, 在內核高溫與地殼低溫的冷熱溫差效應下, 外核形成熱對流, 再加上地球本身的自轉, 外核的流體因此被驅動, 由此產生電流, 順帶增加磁場的強度, 再進圖二 地球內的冷熱溫差效應而增加電流的強度 如此交替進行, 最後使對流運動 電流和磁場達到帄衡的狀態, 因此構成一個強大的磁場, 此即為現今科學家認為最接近地球本身磁場成因的 發電機效應學說 2

另外, 近年來也有科學家提出其他不同的說法, 例如 : 雷戈里 李斯金教授所提出的 洋流磁場說 他主要是強調海洋中的鹽類離子具有導電性, 透過洋流的流動而快速移動, 因而產生電場和磁場 ( 見圖三 ) 此學說在提出當時曾引發學界的熱烈討論, 但目前大家普遍較能接受的說法仍是 發電機效應學說 二 地磁是否會改變? 圖三 洋流磁場學說 ( 一 ) 磁極漂移 即使科學家認為地球內部並非真正存在大磁鐵, 但是在地球的內部流動的液態外核讓地球兩極形成磁場, 就如同將整個地球變成一塊大磁鐵一般 地球的磁場具有一個磁軸和兩個磁極, 分別為磁北極和磁南極 目前磁北極的位置在加拿大的北極圈內 ( 北緯 85.1 度 西經 137 度 ), 磁南極則在澳洲南方南極洲的海岸邊 ( 南緯 64.4 度 東經 137.4 度 ) 不過地球的磁軸並不和它的自轉軸一致, 兩者約有 11.5 度的交角, 此一交角稱為磁偏角, 即圖四中的 D 角 也就是說, 指北針的磁針 N 極所指向的北方其實不是真正的地理北極 甚至, 磁針也不是保持水帄, 在北半球指針 N 極會往下傾, 南半球指針 N 極則會往上傾, 此與水帄面間的夾角, 稱為磁傾角, 即圖四中的 I 角 然而地球的兩個磁極的位置並非固定不動, 而是會隨著時間而有所偏 移, 使得磁偏角跟著改變 科學 家和探險家們早在數百年前便已 圖四 磁傾角 磁偏角示意圖 圖五 1600~2007 年磁北極移動過的路徑 3

經注意到地球的磁場存在漂移, 最早在 1500 年代的航海家日誌中就已經有 船長對這一現象進行了記載 如圖五所示, 磁北極帄均每年移動 10km,1831 年 ~2001 年就移動了 1100km, 且移動速度有加快的趨勢 此外, 自 1980 年起磁北極持續往西北方向移動, 若保持此移動速度不變, 預估磁北極將在 2050 年移動至西伯利亞 ( 二 ) 地磁倒轉 地磁除了漂移的變化之外, 科學家還發現中洋脊兩側岩層記錄了過去地磁曾經倒轉的證據 從岩石裡可以了解到古代地磁變化的經過, 因為 火成岩噴發時溫度超過 1000 遠超過物體磁性能穩定的臨界溫度 ( 註四 ), 但當岩石的溫度又降回到居禮點以下時磁性礦物的磁軸受到地球磁場的感應, 就會保持與當時地磁方向一致, 保留並記錄下當時地磁的方向, 此即所謂的熱殘磁 另外, 碎屑沉積物在安靜的沉積過程中受到地球磁場的感應磁化, 也會順著磁場的方向排列, 而後固結成沉積岩, 稱為碎屑殘磁 圖六 科學家在中洋脊兩側發現交錯的磁場紀錄 4

經由質子磁力儀測得出中洋脊兩側有與現今地磁不同的磁極, 圖六 B 中黑色部分代表與現今地磁場相同的正磁極, 白色部分則為與現今地磁相反 ( 即磁北極位置與磁南極互換 ) 的反磁極, 顯示過去以來磁場呈現正反交替出現的磁極變化 若再將此地磁紀錄與全世界的地層同位素定年資料相互比對, 便能整理出一記錄地磁倒轉週期的地磁年代表 ( 如圖六 A) 圖六 A 地磁年代表中每一個相同極性的年代稱為一個 期, 以過去著名的科學家名字來做命名, 例如 : 松山期 布朗期 吉伯特期 圖六 A 顯示, 地磁倒轉並沒有一個固定的週期, 但是大約每百萬年左右有一次倒轉, 而且其中也有短暫的極性反轉變化發生, 我們稱之為 極性事件 三 地磁紀錄的應用 當我們知道了地磁並非永遠一成不變, 那麼如此特殊的地磁在科學上能否成 為一種研究的工具呢? ( 一 ) 大陸漂移的驗證 1912 年德國氣象學家韋格納 (Alfred Wegener,1880-1930) 提出大陸漂移學說, 大膽發表陸地會移動的想法 他認為地球上的所有大陸在古生代晚期都是連成一體的, 稱為盤古大陸 ( 註五 )( 見圖七 ), 然而當時的科學家對地球內部的結構和特性並未完全了解, 因此對陸地如何能自己移動提出質疑, 所以韋格納的學說不僅未被當時學界接受, 他在 1930 年喪生於格陵蘭後, 大陸漂移說也就逐漸遭到淡忘 後來, 科學家發現利用岩石中所遺留下來的熱殘磁紀錄, 從磁傾角的角度和方向可以顯示出各大洲在不同時代中的相對位置 圖七 韋格納 - 大陸漂移學說 舉例來說 : 德干高原為全世界最大的熔岩臺地, 地質古老廣大, 由於火 5

山熔岩冷凝時會成層紀錄下地球磁場 ( 如圖八 ), 因此英國的地質學家, 開始對印度德干高原的玄武岩地層柱著手進行研究, 發現德干高原上的玄武岩在不同時期的磁傾角皆不相同, 其中侏儸紀時的帄均磁傾角為向上 ( 南半球 )64 度, 在白堊紀時為向上 ( 南半球 )60 度, 後來第三紀初期時漸漸減為向上 ( 南半球 )26 圖八 熔岩流的地磁紀錄示意圖度, 到了第三紀中期時才轉為向下 ( 北半球 )17 度 透過以上數據, 可經由玄武岩層的磁傾角 (I) 與緯度 (λ) 關係式 : tan I = 2 tan λ 代入後推得表一的數據 表一 德干高原磁傾角與緯度變化 地質年代 I λ 侏儸紀 64 45.4 S 白堊紀 60 40.52 S 第三紀 ( 初 ) 26 13.40 S 第三紀 ( 中 ) 17 8.4 N 把分析德干高原所得到的表一數據結果進一步繪製在地圖上可以發現 他移動的相對位置如圖九所示 : 為侏儸紀時德干高原所在位置 ; 為白堊紀時的干高原所在位置 ; 為第三季初期德干高原所在位置 ; 為第三季中期德干高原所在位置 ; 即為現今德干高原所在位置 若忽略經度變化, 從圖九中可以清楚見到德干高原有由南往北移動的現 象, 這與韋格納大陸漂移說中的古陸塊與現今陸塊位置不同的說法相當符 合, 同時也證明了陸塊真的曾經移動過 6

由南往北移動 圖九 德干高原的移動位置 ( 二 ) 台灣造山運動的驗證 根據德干高原的例子, 我們想到科學家們是否也曾將地磁的特性應用在了解台灣島的生成歷史上? 但是台灣位在板塊接鑲處, 約 500 萬年前歐亞板塊與菲律賓海板塊碰撞擠壓, 將海岸山脈併進台灣島外, 更造成中央山脈的急遽抬升, 引發此後不斷的侵蝕與沉積作用 考慮台灣島上大部分區域屬沉積岩區, 為了能獲得較多的採樣來研究, 所以科學家反而採用碎屑殘磁的方法 台灣的地質學家針對在海岸山脈附近的沉積岩著手研究, 研究的方式為將採樣品與地磁年代表進行比對, 過程中為了避免岩心被現今磁場所影響, 所以會在隔磁室中操作實驗, 再進行消磁, 主要目的為還原岩石形成初期所產生的磁性方向, 用以判斷早期的年代, 此種研究方法又稱為古地磁定年法 研究過程中, 利用這些古地磁年代資料及地層厚度可計算海岸山脈上 新世以來沉積岩地層之沉積速率 ( 註六 ) 結果發現, 海岸山脈在各個時代 的沉積速率如表二所示 : 表二 海岸山脈岩石沉積速率 地質年代上新世 ( 早期 ) 上新世 ( 中晚期 ) 岩石沉積速率 54 cm/ky 100~180 cm/ky 7

更新世 ( 初期 ) 更新世 ( 中期 ) 390 cm/ky 540 cm/ky 由以上整理數據後發現, 上新世以後的岩石沉積速率異常增加, 推測為 劇烈的板塊活動造成, 與中央山脈隆起有很大的相關性, 故藉由此觀察, 推 測台灣島應該是在上新世以後漸漸成形, 並已形成高聳的中洋山脈 四 目前的地磁狀況是否會改變? 了解了地磁諸多特性與應用後, 我們知道地磁其實一直持續在變化, 不僅位 置隨著時間在改變, 根據洋脊兩側的古地磁紀錄得知地磁在倒轉前會有弱化的現 象, 顯示地磁強度也是一直不斷的在變化 地球主磁場的強度看起來每世紀會減弱大約 5% ( 註七 ), 有人認為地球磁場在反轉前, 除了強度會迅速驟減外, 甚至理論上可能會有長達一個世紀左右的時間呈現沒有磁場強度的狀態, 如此不但會造成地球失去磁層的保護, 地球生命將直接受到太陽風與孙宙射線的威脅, 連以地磁導向的鳥類 海洋生物也勢必受到波及 令人驚訝的是, 科學家經過比對發現在過去的 160 年裡, 地球磁場強度下降 了約 10% 但是這是否暗示下次地磁倒轉即將來臨了呢? 其實並不盡然, 因為地 球上的磁場本來就時而弱 時而強, 實際上, 地磁反轉需要費時數千年才會完成 此外, 磁北極移動與跳耀只是地球內部擾動, 在地球表面遺留下來的一點 表徵 ( 註八 ), 所以不論是磁極漂移和弱化, 若要見到比較劇烈的改變, 其實在 人類有生之年是不容易發生的 参 結論 不論是 永久地磁假說 還是 發電機效應, 都是科學史上的一個里程碑, 從偶極磁鐵 居禮溫度甚至是電磁效應, 科學家不斷發現新的理論, 也讓我們越 來越了解地球內部真實的面貌 透過研究地磁的成因, 我們還發現地磁有漂移 倒轉的現象, 科學家甚至統整出一張地磁年代表, 不但可以應用在對地層的定年, 進而推測出地層的沉積速率, 也為韋格納的大陸漂移學說提出有力的證據證明陸塊的飄移是真的發生過的 8

然而目前正在弱化的地磁狀態總是被質疑, 是否下一次反轉即將來臨, 並對 生物造成衝擊, 許多末日預言因此甚囂塵上 但事實上, 地球內部的擾動屬於常 態, 較劇烈的磁場變化是不易在短時間內發生的 以往課本知識中, 只知道地磁可以保護生物不受孙宙射線和太陽風的影響, 但經由這次研究, 沒想到地磁還能應用在科學研究上, 科學家透過地磁的紀錄推測出地球過去的點點滴 我相信地磁的研究不僅僅只有這些, 希望在未來能見到更多地磁在各個領域的應用 肆 引註資料 註一 郭瑞濤 林政宏 (1992) 地球科學概論 台北: 新學識文教出版中心 註二 地心游記 : 進入地心我們會看到什麼 2014 年 3 月 9 日, 取自 http://financenews.sina.com/d/2008-07-15/07332326329.shtml 註三 Gary A. Glatzmaier Peter Olson(2005) 地球磁場即將反轉? 科學人, 39 期,33 頁 註四 吕特根 塔布克 塔沙 (2012) 觀念地球科學 II 台北: 天下文化 註五 游鎮烽 ( 主編 )( 2012) 基礎地球科學上冊 新北市 : 泰孙出版 註六 李德貴 洪崇勝 呂懿德 (1992) 台灣地區之古地磁地層研究 經濟部中央地質調查所特刊, 第六號, 第 214 頁 註七 認識地球磁場減弱翻轉及馬雅文明與 2012 預言 2014 年 3 月 15 日, 取自 http://mypaper.pchome.com.tw/zou0621/post/1322019751 註八 地球磁場的變化 國科會高瞻自然科學教學資源帄台 2014 年 3 月 16 日, 取自 http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=4261 圖一 地球的磁場 2014 年 3 月 8 日, 取自 http://hcc.mygeotravel.org/earth/earth5/geomag.html 圖二 地球奥深くの鉄の流れ 新発見!2014 年 3 月 8 日, 取自 http://www.jamstec.go.jp/j/kids/press_release/20100211/ 圖三 地球磁場或源于海水運動 2014 年 3 月 8 日, 取自 http://www.nbhyj.gov.cn/html-big5/zonghepindao/zhuantizhuanlan/yuwenhua/ haiyangkepu/haiyangzhishi/2009/0811/8670.html 圖四 地磁 2014 年 3 月 20 日, 取自 http://www.hko.gov.hk/gts/equake/qe_geomagnetism_c.htm 圖五 維基百科 2014 年 3 月 9 日, 取自 http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%e5%9c%b0%e7%a3%81%e5%8c%97%e6 %A5%B5 圖六 板塊英雄傳 2014 年 3 月 21 日, 取自 9

http://web.fg.tp.edu.tw/~earth/learn/plate/plate3.htm 圖七 地殼的變動 2014 年 3 月 16 日, 取自 http://www.gebi.com.tw/earth/e-06.htm 圖八 深海探索 2014 年 3 月 22 日, 取自 http://amuseum.cdstm.cn/amuseum/oceanic/pages/deepsea/ds_2_magage.htm l 圖九 自製 表一 自製 表二 自製 10