Geomagnetism - Chijiki (English spelling) geomagnetism

Japanese: 地磁気 - ちじき（英語表記）geomagnetism

This refers to the magnetism and magnetic field (magnetic field) of the Earth. It is also called geomagnetism, and there is another term with a similar meaning: geomagnetic field. The magnetic field is usually expressed using the northward, eastward, and downward components, but due to limitations in measurement methods, three components are sometimes used: declination (positive direction from north to eastward on a horizontal plane), inclination (inclination from the horizontal plane, downward direction is positive), and total magnetic field (strength of the magnetic field) ( Figure A ).

The current declination angle near Tokyo is about minus 6 degrees, the inclination angle is about 49 degrees, and the total magnetic field is about 46,000 nanoteslas. Nowadays, it is common to use the Global Positioning System (GPS) to determine the position and direction of ships and aircraft, but in the past, the method of determining the direction using a magnetic compass was widely used for navigation. Due to its practical importance, in the past, magnetic maps were created every few years in the UK, the US, and other countries. A magnetic map is a map that lists the places on the Earth's surface where a certain component of the geomagnetic field has the same value. The places where equal declination lines are concentrated on a magnetic declination map are places where the geomagnetic field is vertically downward (inclination angle of 90 degrees) or vertically upward (inclination angle of minus 90 degrees), and are called the North Magnetic Pole and the South Magnetic Pole, respectively. The place where the inclination angle is 0 degrees is called the magnetic equator. Looking at a magnetic map of inclination and total magnetic field, it can be seen that the inclination angle increases in either positive or negative directions as the latitude increases from the equator to the north or south, and that the total magnetic field also changes systematically with latitude.

These characteristics of the Earth's magnetic field can be mathematically shown by spherical harmonic analysis, which was invented by the German physicist Gauss in 1838. Spherical harmonic analysis is a method of decomposing the magnetic field, starting with simple ones such as a dipole consisting of two magnetic poles, one positive and one negative, and a quadrupole consisting of four magnetic poles, and then decomposing them into more complex components. Using this method, most of the Earth's magnetic field (about 90%) can be approximated by a dipole magnetic field located at the center of the Earth and tilted about 11.5 degrees from the axis of rotation. The strength of this magnetic dipole is currently 8.0×10 ²² Am ² (amperes squared). Of course, dipole terms alone are insufficient to represent the complex distribution of the magnetic field on the Earth's surface, and it is necessary to include higher-order terms in the expansion (collectively called non-dipole terms), such as the quadrupole and octupole terms obtained by spherical harmonic analysis.

However, no matter how precise these models are, they cannot represent changes in wavelengths shorter than about 3,000 kilometers. Therefore, the magnetic fields produced by strongly magnetized objects, such as volcanoes, are superimposed on the general components of the Earth's magnetic field to produce geomagnetic anomalies. Conversely, by understanding geomagnetic anomalies, it is possible to infer the shape and properties of the magnetized objects (such as volcanoes) that cause them.

[Kano Naga]

Changes in the Earth's magnetic field over time

Even when the Earth's magnetic field is quiet, it fluctuates by about 20 to 50 nanoteslas over the course of a day. This is a small change, about one thousandth of the strength of the Earth's magnetic field (about 30,000 to 60,000 nanoteslas). This is caused by electric currents flowing in the ionosphere, which is located at an altitude of 50 to 250 kilometers, and the way in which the electric current flows is basically governed by the solar radiation energy that the ionosphere receives, so the change occurs on a daily cycle.

On the other hand, a typical example of a strong magnetic disturbance is a geomagnetic storm, which can last for several days. This is caused by a particularly strong plasma flow (solar wind) from the sun blowing into the Earth's magnetosphere. In mid- and low-latitude regions, the horizontal component of the magnetic field first suddenly strengthens (the sudden onset of the geomagnetic storm), and then the horizontal component decreases by 200 to 500 nanoteslas (the main phase). This is because the solar wind plasma penetrates the Earth's magnetosphere, and the magnetic field causes electrons and ions to move in opposite directions, resulting in a current (equatorial ring current) flowing from east to west along the equatorial plane at a distance about five times the Earth's radius. The penetration of the solar wind plasma increases the activity of charged particles in the magnetosphere, and auroras are seen in the polar regions, and geomagnetic fluctuations called pulsations appear in the magnetosphere. As the activity of the solar wind plasma eventually weakens, the ring current also weakens, and the horizontal component of the geomagnetic field gradually recovers (the final phase). This is the outline of a geomagnetic storm.

There are other variations in the geomagnetic field with periods of various lengths. Variations with periods shorter than the 11-year period of sunspot variation are all phenomena with extraterrestrial causes, caused by solar activity. On the other hand, variations with periods longer than that are thought to be inherent to the geodynamo, which has causes within the earth. Variations with periods of several decades to several thousand years are called secular variations. Even longer periods have been revealed by paleomagnetism, the field that studies the remanent magnetism of rocks, and the most notable example is polarity reversal. This is a phenomenon in which the direction of the geomagnetic dipole changes from south to north, or vice versa, within a short period of time, around a few thousand years, and it has been revealed that over the past tens of millions of years, this has occurred approximately once every 200,000 years.

Geomagnetic reversals were first discovered for the past 3 million years or so through research into the age of volcanic rocks erupting on land and the polarity of their residual magnetism. Later, the Vine-Matthews theory revealed that the ocean floor spreading out from ocean ridges is alternately magnetized in the positive and negative directions, and as a result, the history of geomagnetic reversals stretching back more than 100 million years ago was revealed using magnetic anomalies observed at sea ( Figure B ).

[Kano Naga]

Origin of the Earth's magnetic field

The Earth's fluid core is made of molten iron at a high temperature of 4000-5000°C, and is thought to have an extremely slow convection motion. When a fluid, which is a good conductor of electricity, moves in a magnetic field, electric current flows inside due to electromagnetic induction, and this current in turn creates a magnetic field. If the newly created magnetic field strengthens the original magnetic field, the fluid's own power generation can maintain the electric current, i.e. the magnetic field, even if no external magnetic field is applied. This self-excited power generation mechanism is called the dynamo action, and the idea that the Earth's magnetic field is maintained by the dynamo action is called the dynamo theory. It is believed that the origin of the Earth's magnetic field can be explained by the dynamo theory.

[Kano Naga]

"Tsuneji Rikitake, "The Earth's Magnetic Field and Its Reversals: 700,000 Years Ago, Magnets Pointed South!" (1980, Science Press) " "Naoto Kawai, "The Mystery of the Earth's Magnetic Field: How the Earth's Magnetic Field Controls the Climate" (Kodansha, Bluebacks)"

Components of the Earth's magnetic field (Figure A)
©Shogakukan ">

Components of the Earth's magnetic field (Figure A)

Timetable of geomagnetic reversals (Figure B)
©Shogakukan ">

Timetable of geomagnetic reversals (Figure B)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

地球がもっている磁気および磁場（磁界）のこと。地球磁気ともいい、同様な意味をもつことばとして地球磁場がある。磁場を表すには北向き、東向き、下向きの各成分を用いるのが普通であるが、測定法の制約などから偏角（水平面内で北から東回りを正にとる）、伏角(ふっかく)（水平面からの傾きで下向きが正）、全磁力（磁場の強さ）の三つの成分を用いることもある（図A）。

　東京付近での現在の偏角は約マイナス6度、伏角は約49度、全磁力は約4万6000ナノテスラである。現在では、船や航空機の運航には全地球測位システム（GPS）を用いて位置や方向を求めるのが普通であるが、以前は航海のために、磁気コンパスによって方位を求める方法が広く用いられていた。こうした実用上の重要性もあって、かつてはイギリス、アメリカなどで数年ごとに磁気図を作成していた。磁気図は、地表で地磁気のある成分が同じ値をとる場所を連ねた地図である。偏角磁気図で等偏角線が集中している場所は、地磁気が鉛直下向き（伏角90度）、または鉛直上向き（伏角マイナス90度）の場所で、それぞれ北磁極、南磁極とよばれる。また伏角が0度となるところを磁気赤道という。伏角と全磁力の磁気図をみると、赤道から南北へ高緯度になるにしたがって伏角が正または負で大きくなり、また、全磁力も緯度によって系統的に変化していることがわかる。

　こうした地球磁場の特徴は、1838年にドイツのガウスが創始した球面調和解析法によって数学的に示すことができる。球面調和解析とは、磁場をプラスとマイナスの二つの磁極からなる双極子、四つの磁極が集まった四極子、など単純なものから始めて、より複雑なものへと成分を分解する方法である。この方法を用いると、地球磁場の大部分（90％程度）は、地球の中心にあり回転軸から約11.5度傾いた双極子の磁場によって近似することができる。この磁気双極子の強さは現在8.0×10²²Am²（アンペア平方メートル）である。もちろん、地球表面での複雑な磁場の分布を表すには双極子項だけでは不十分で、球面調和解析で得られる四極子項、八極子項など、展開の高次の項（まとめて非双極子項という）を含める必要がある。

　しかし、こうしたモデルはいかに精密なものでも、波長3000キロメートル程度より短い変化は表せない。したがって、たとえば火山など強い磁化をもつ物質のつくる磁場は、一般的な地球磁場の成分に重畳して地磁気異常をつくる。逆に地磁気異常を解明すれば、その原因となっている磁化をもつ物体（たとえば火山体）の形や性質が推定できる。

［河野　長］

地磁気の時間変化

地球磁場は静穏なときでも、1日の間に20～50ナノテスラ程度の変動を示す。これは地球磁場の強さ（約3万～6万ナノテスラ）に比べると1000分の1程度の小さな変化である。この原因は高度50～250キロメートルにある電離層内を流れる電流であり、電流の流れ方が基本的には電離層の受ける太陽の輻射(ふくしゃ)エネルギーに支配されるために、1日を周期とする変化がおこるのである。

　一方、磁気的に擾乱(じょうらん)の激しいときの典型的なものは磁気嵐(あらし)で、数日間も続くことがある。これは、地球磁気圏に太陽からとくに強いプラズマ流（太陽風）が吹き寄せたためにおこるもので、中・低緯度地方ではまず磁場の水平分力が急に強まり（磁気嵐の急始）、ついで水平分力が200～500ナノテスラも減少する（主相）。これは、太陽風プラズマが地球磁気圏内に侵入し、磁場の効果で電子とイオンが逆方向へ移動するために、結果的に地球半径の5倍程度のところに、赤道面に沿って東から西へ電流（赤道環電流）が流れることによるものである。太陽風プラズマの侵入によって、磁気圏内での荷電粒子の活動は活発になり、極地ではオーロラがみられ、磁気圏内には脈動とよばれる地磁気の変動が現れる。やがて太陽風プラズマの活動が衰えると環電流も弱まり、地磁気水平分力も徐々に回復する（終相）というのが磁気嵐のあらましである。

　地磁気には、このほかにも長短さまざまな周期をもつ変化がある。黒点変動の周期である11年より短い周期をもつ変動は、いずれも太陽の活動によって引き起こされる、地球外に原因をもつ現象である。一方、それより長い周期の変動は、地球内部に原因をもつ地球ダイナモの固有のものと考えられる。周期が数十年から数千年の変動は永年変化とよばれる。さらに周期の長いところは、岩石のもつ残留磁化の研究分野である古地磁気学によって明らかにされたもので、もっとも顕著なものは極性の逆転である。これは、地磁気双極子の方向が数千年ぐらいの短い時間内に南向きから北向きへ、あるいはその逆に変わる現象で、過去数千万年については約20万年に1回の割合でおこっていることが明らかになった。

　地磁気の逆転は、初め、陸上に噴出している火山岩の年代とその残留磁化の極性の研究から、過去300万年程度について明らかになった。その後「バイン‐マシューズ理論」によって、海嶺(かいれい)から広がる海底が交互に正または逆向きに帯磁していることが判明した結果、海上で観測される磁気異常を用いて、1億年以上前までさかのぼって地磁気の逆転の歴史が明らかにされている（図B）。

［河野　長］

地球磁場の成因

地球の流体核は4000～5000℃の高温で溶融した鉄からできており、きわめてゆっくりした対流運動をしていると思われる。電気の良導体である流体が磁場中で運動すると、電磁誘導によって内部に電流が流れ、その電流がまた磁場をつくりだす。新たにつくりだされた磁場がもとの磁場を強めるようなものであれば、外から磁場がかかっていなくても、流体自身の発電作用によって電流、すなわち磁場を保持し続けることができる。このような自己励起的な発電の仕組みをダイナモ作用、また、ダイナモ作用によって地球磁場が維持されているという考えをダイナモ理論という。地球磁場の成因はダイナモ理論によって説明されるものと信じられている。

［河野　長］

『力武常次著『地球磁場とその逆転　70万年前磁石は南をさしていた！』（1980・サイエンス社）』▽『川井直人著『地磁気の謎　地磁気は気候を制御する』（講談社・ブルーバックス）』