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地球磁场起源


来源:原创   作者:王金甲   时间:2008-11-16   阅读437次

    地球磁场起源
    历史上,第一个提出地磁场理论概念的是英国人吉尔伯特。他在1600年提出一种论点,认为地球自身就是一个巨大的磁体,它的两极和地理两极相重合。这一理论确立了地磁场与地球的关系,指出地磁场的起因不应该在地球之外,而应在地球内部。1893年,数学家高斯在他的著作《地磁力的绝对强度》中,从地磁成因于地球内部这一假设出发,创立了描绘地磁场的数学方法,从而使地磁场的测量和起源研究都可以用数学理论来表示。但这仅仅是一种形式上的理论,并没有从本质上阐明地磁场的起源。 现在科学家们已基本掌握了地磁场的分布与变化规律,但是,对于地磁场的起源问题,学术界却一直没有找到一个令人满意的答案。目前,关于地球磁场的起源,历史上曾有来自北极星的传说,但是到公元17世纪初就已经认识到地球本身就是一个巨大的磁体,不过当时仍不清楚地球磁场是怎样产生的。随着科学的发展,对于地球磁场观测和地球结构的研究不断增多和深入,对地球磁场的起源先后提出了10多种学说。这里按照历史的先后对一些各有一定根据或设想的地球磁场来源学说作简单介绍:
    (1)永磁体学说,是最早提出的一种学说,认为地球内部存在巨大的永磁体,由这永磁体产生地球磁场,但后来认识到地球内部温度很高,不可能存在永磁体。
    (2)内部电流学说,认为地球内部存在巨大的电流,形成巨大电磁体产生地球磁场,但是既未观测到这种巨大电流,而且巨大电流也会很快衰减,不会长期存在。
    (3)电荷旋转学说(公元1900年),认为地球表面和内部分别分布着符号相反、数量相等的电荷,由地球自转而形成闭合电流,由此电流产生磁场,但这学说缺乏理论和实验基础。
    (4)压电效应学说(1929),认为在地球内部物质在超高压力下使物质中的电荷分离,电子在这样的电场中运动而产生电流和磁场。但理论计算出这样的磁场仅有地磁场的约千分之一。
    (5)旋磁效应学说(1933),认为地球内的强磁物质旋转可以产生地球磁场,但这种旋磁效应产生的磁场只有地球磁场的大约千亿分之一。
    (6)温差电效应学说(1939),认为地球内部的放射性物质产生的热量,使熔融物质发生连续的不均匀对流,这样产生温差电动势和电流,由此电流产生地球磁场,但理论估计也同地球磁场不符合。
    (7)发电机学说(1946-1947),认为是地球内部的导电液体在流动时产生稳恒的电流,由这电流产生地球磁场。
    (8)旋转体效应学说(1947),是根据少数天体观测得到的经验规律,认为具有角动量的旋转物体都会产生磁矩,因而产生磁场。这一学说需要使用一无科学根据的常数,5年后又被提出这一学说的科学家根据精密的实验结果加以否定了。
    (9)磁力线扭结学说(1950),认为在地球磁场磁力线的张力特性和地核的较差自转,会使原始微弱的地球磁场放大,由此产生地球磁场。
    (10)霍尔效应学说(1954),认为在地球内部由于温度不均匀产生的温差电流和原始微弱磁场的同时使用下,会由霍尔效应产生霍尔电动势和霍尔电流,由此产生地球磁场。
    (11)电磁感应学说(1956),认为由太阳的强烈磁活动通过带电粒子的太阳风到达地球后,会通过地球内部的电磁感应和整流作用产生地球内部的电流,由此产生地球磁场。在这些学说中,只有发电机学说(又称磁流体发电机学说)在观 测、实验和理论研究上得到较多的证认,是目前研究和应用较多的地球磁场学说。
    (12)自由电子旋转说(2006),是唯一由中国人王金甲先生,根据分子、原子学,结合地震波提供的地球深處高清圖像提出的崭新学说。
    地震产生的內部深層波動往往會在地核和地幔的介面上產生反射,反射波在傳遞到地表的過程中,如果碰到地下構造,就會發出微弱的信號。通過上千次地震得到的信號記錄以及1000多次的地震觀測,這支由MIT地球、大氣與行星學系(EAPS)教授RobvanderHilst領導的地球學家和礦物學家組成的跨學科小組得到了中北美洲高清晰度深層地球結構圖,从結構圖看地球外核是液态。
    我们知道物质是由分子原子组成的,原子由原子核和电子组成(见原子结构图)。
    火山爆发使我们知道地球内部是一个高温世界。19世纪末,著名物理家居里在自己的实验室里发现磁石的一个物理特性,就是当磁石加热到一定温度时,原来的磁性就会消失。后来,人们把这个温度叫“居里点”。按照“居里点”的的结论地球内部不能有一个永磁体。
    按照物理学研究的结果,高温、高压中的物质,其原子的核外电子会被加速而向外逃逸,所以地核在6000K的高温和360万个大气压的环境中会有大量的电子逃逸出来,在内核与地幔间会形成一个汽液态的充满自由电子的液体外核。
    按照麦克斯韦的电磁理论,可以总结出这样一句话“电动生磁,磁动生电”。所以,要形成地球磁场必须有电子移动。我们知道,一个线圈通上直流电,那么线圈周围有一个直流电磁场(通上交流点,就是一个交流电磁场,变压器就是利用交变磁场来实现变压的。),这个磁场就是电子在线圈中移动的结果。
    地球磁场,简言之是偶极型的,就象一个“螺线管”通直流电的直流电磁场。地球内部的高温、高压,使地球内核物质逸出电子而强金属化,不易流动,呈固体状态。地球内核逸出的大量电子集中在相对内核压力较小、温度较低的液体外核球层。外核球层由于得到大量自由电子而呈非金属状的汽液态。大量的自由电子随地球自转,象电子在“螺线管”运动相仿,所以是拥有大量自由电子的液体外核随地球的自转而在宇宙空间建立了一个强大的地球磁场。
    地球自转,使液体外核呈现一个扁球体,地球倾斜自转也可以认为天体引力倾斜。倾斜的力使液体外核赤道面亦倾斜。液体外核的赤道面,既受惯性内核自转控制,又受天体倾斜引力拖拽,使其自转惯性改变方向,进而导致磁极既不与地球自转轴重合又不与黄道面垂直,处于两者兼顾状态,事实也正是如此。
    “自由电子旋转”说的诞生,給“地球磁场逆转”带来极大冲击。首先我们了解所谓“地球磁场逆转”一说的起源。
    关于地球磁场逆转,我们的前人既没有记载,也没有人经历。原来是法国地球物理学家布容(BernardBruhnes)于1909年开始研究法国中部玄武岩流的天然余磁,研究区位于罗亚尔(Loire)南部高原。大多数样品的磁性与预测结果相符,但有些样品的磁性却是反常的,因此布容吃了一惊。这些岩石里小磁铁的指北极不是指北,而是指南;向上翘而不是向下倾。也就是说,它的定向与现代磁场正好相反。
    1928年。“松山基范”对日本200万年以来的火山岩进行了类似的测量,他发现了反向的天然余磁。异常磁性都出现在一组较老的玄武岩中,而较年轻样品的磁性方向却都与现代地磁场一致。他突发奇想,大胆提出地球的磁极曾经倒转过。没有多少科学家相信松山的解释,许靖华等大多数学者认为地磁极曾经发生倒转的想法太异想天开,连他的同胞上田也不例外。上田当时还是一个刚出校门的地球物理专家。他不但排斥松山的荒诞想法,还试图为磁性倒转这一毋庸争辩的事实找出一种较可信的解释。根据他的实验研究,上田提出了一种自倒转现象。到1958年,他已证明在某些特殊情况下,可以用人工使岩石获得反向磁性。上田的实验虽好,但没能解决自然界岩石反向磁性问题。布容和松山的样品火山岩磁性的确倒转过。于是松山结论地球的磁极在某些历史时期确曾发生过180度的大倒转。1953年朗康做了关于岩石磁性测年的报告,在朗康报告之后不到十年的时间里,多数地质学家因找不到另一种解释方法,他们的想法发生了180度的大转弯。于是松山“荒诞不经”的臆想竟然成了主流。
    我们知道地球磁场起源于地球深处,布容和松山的样品来源于地壳表面。用地球表面的现象来解释地球深处的活动未免有些离奇。大陆漂移已成爲主流,其实大陆漂移只是一个表面现象,其本质在于地壳和地幔的整体运动。液体外核把地球分成能相对运动的两大部分。液体外核的潮汐,使漂浮其上的地壳和地幔向西滞后。导致春分点或冬至点的西移。古希腊天文学家喜帕恰斯在编制恒星的星表时发现恒星的黄经有较显著的改变,并推算出春分点每100年西移1°喜帕恰斯得出的是;每100年西移1°,而虞喜得出每50年西移1°。这是“地球差异旋转”的最早发现。但是当时不知道地球是层圈结构只好把“地球差异旋转”的现象解释爲“岁差”。 于是利用形状、重心、重力方向、刚体、非刚体等都不同性质的陀螺来完善其理论。以讹传讹流传至今。
   
   
    历史上的“地心说”就是利用日月星辰东起西落地球自转造成的假象,而形成的传统观念,进而形成了一个顽固理论计算体系,极不容易推翻!设想一下,如果那时有人造卫星还会有“地心说”泛乱吗?如果“地球差异旋转”发现在前,还会有“岁差”吗?
    因地球的倾斜旋转,造成地壳和地幔与内核差异旋转的螺旋角度。这样一来地壳和地幔在内核上南北半球换位【这种运动形式我们命名“壳、幔弦动”】。不同年代的火山岩、沉积岩的感应磁场也就随着来回反向。布容、松山基范样品的磁性反常由此而来。我们的结论是;“嵗差”和“地球磁场逆转”是地学史判断上的失误,影响了地球科学的进展。
    自由电子旋转说是否正确还有待于深入研究。请读者多提宝贵意见!
      作者:王金甲 王鎭 刘春义等
   


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