地球磁极的形成及倒转原因之探 - 新华博客 - News Blog

 地球磁极的形成及倒转原因之探

何相华 刘在能摘要 宇宙射线高速穿入旋转地球磁力线时被打偏并形成位于地球大气层外的外磁体（磁层），外磁体磁场方向与内磁体（地球磁体）磁场方向时而相反，时而相同，它们时而互相削弱，时而互相增强，造成地球磁极循环倒转。关键词 地球磁场 地球磁极 倒转 磁力线 内磁体 外磁体 宇宙射线一、现有地球磁场形成理论目前主流科技界普遍认为地球内部液态铁质流围绕地球核心旋转产生地球磁场。一个行星要具有磁场，就要求它既具有足够快的自转速度，又具有熔融的铁磁体核心，由于此理论与太阳系中一些行星的磁场状态相符合，如金星旋转速度极慢（自转周期243天），即使它具有熔融铁磁体核心，也不能形成磁场（金星是太阳系中唯一无磁场的行星），而地球、火星既具备足够快的自转速度（地球自转周期23小时56分、火星自转周期24小时37分），又具备熔融铁磁体核心，故能形成磁场，因此而被奉为地磁学的经典理论。二、地球磁极倒转事件及倒转周期 1906年，法国科学家布容在对法国司巴夫中央山脉地区的熔岩进行考察时发现那里的岩石具有与现代磁场方向相反的磁场极性；《科学日报》2002年2月20日报道：俄罗期中央军事技术研究所研究员沙拉姆别利杰宣布，该所成功地测量到了地球磁极漂移现象，测量结果表明，地球磁极目前已漂移了200千米；《大众科技报》2002年3月26日报道：据俄罗其媒体报道，近日一个国际北极考察组织称自1970年以来，地球北部磁极的年平均移动速度已由10公里增加到40公里。 1967年科学家斯蒂纳提出，地磁场极性的变化，与地球随太阳系环绕银河系中心的运动有关，太阳系绕银河系中心运行一周的2.74亿年中大约要上下往复三次多，平均往复一次的时间0.77亿年即为地球磁极倒转周期；英国《自然》杂志刊登的一篇文章称：从大约6亿年前的前寒武纪末期，到约5.4亿年的中寒武纪，是反向磁极为主的时期，从中寒武纪到约3.8亿年前的中泥盆纪，是正向磁极为主的时期，中泥盆纪到约0.7亿年前的白垩纪末，还是以正向磁极为主，白垩纪至今，则是以反向磁极为主；英国地质学家亚兰托马斯教授提出：从前地球磁极大约每隔25万年翻转一次，自上一次地球磁极翻转以来，地球磁极已有100万年没有翻转了，下次地球磁极翻转也许等不了多长时间；英国利兹大学的地磁学专家安迪•杰克逊博士提出：地球磁极倒转一般每隔50万年出现一次，但自上次发生后，已有75万年没有出现过了；华盛大学的科学家罗纳德•麦里尔提出：地球磁场两次翻转的时间间隔最短在2～3万年间,最长可能是5万年;美国科学家布德福•克莱门在分析了世界各地区取来的地层沉积样本，这些沉积样本分别属于四个不同地理历史时期，它们残留有当时地球磁场的信息，通过对这些样本的分析推测，地球磁场完成一次颠倒大约需要7000年。三、地球磁场倒转的各种假说虽然对于地球磁场倒转过程需要多长时间，科学家的研究一直处于猜测状态，从几千年到近亿年的都有，但是，地球磁极的漂移和倒转却是不争的事实，对于地球磁极倒转这件威胁到人类生存的大事件，到底是什么原因造成的，科学家提出了各式各样的假说：《中国地质大学学报》2005年第3期刘广润等攥文称：当外星沿与地球自转的正逆方向撞击地球时引起地球转速快慢变化，可导致地球内部核与幔圈层之间的转速相对快慢关系（相对运动方向）发生改变，从而受其控制的液核涡旋方向及相应的地磁场方向会随之改变，于是就形成了地球磁极的倒转；1967年，科学家斯蒂纳提出，地球磁场极性的变化，与地球追随太阳环绕银河系中心的运动有关，银河系中心也存在一个磁场，它集中在银道面上，并在银道面上呈相反方向，当太阳系在环绕银河系中心运动时，会在银道面上下作波状起伏运动，造成地球磁极反复颠倒；1989年，在美国巴尔的摩举行的全球气候变化和环境污染国际研讨会上，美国科学家缪拉提出了气候变化导致地球磁极倒转的见解；《科技日报》2002年4月17日第2版的一篇文提出是地球外核内部的熔融铁流（以约1米/小时的速度缓慢前行）导致了相对磁极彼此倒转。关于地球磁场的形成及地球磁极倒转的假设虽有许多种，但目前大多数科学家比较一致的意见是：地球磁场是地球内部液态铁质围绕着地核心旋转产生的，当地球内部的液态铁流发生某种变化时，就可能导致流动方向的180度旋转，使地球磁极发生颠倒。这些假说虽然似乎有些道理，但又都经不起仔细推敲，如外星撞击导致地球磁场倒转，则地球在历史上应正反倒转过几回或转速曾有过大的变化，显然经不起考证；太阳系绕银河系中心旋转时，是否沿银道面上下波状运动毫无证据，也不太可能；至于气候变化和熔融铁流的缓慢前行导致地球磁极倒转更缺乏说服力。地球磁极倒转显然不是一些偶然的具体的突发事件及一些毫无证据的猜测。四、宇宙射线与磁层地球处于宇宙射线的包围之中，科学家经过对宇宙射线的测量结果表明：宇宙射线随昼夜和时间的变化极其微小，而且由宇宙空间不同方向射来的宇宙射线具有相同的强度。由大气外层进来的宇宙射线为初级射线，初级射线高能质子占85.9%，α粒子占12.7%，此外还有从氦到铁的各种元素的原子核，约占1.4%，初级射线中每个粒子能量常在109～1011电子伏，最高的达1021电子伏，说明它具有极高的速度。由初级射线在大气层中产生的次级粒子叫次级射线，初级射线到达靠近大气层顶部的高空时，核子部分还是占较大的比例，在大气层比较下层的部分出现了一些新粒子，多数是由兀介子衰变而成µ+、µ-，另外还有少量的兀+、兀-、兀0。由此可见，宇宙初级射线是高速运动的带正电高能粒子，在大气层顶部以上都是初级射线，仅到了大气层底部才变成正负电荷基本相等的次级射线。宇宙射线高速穿过地球磁场时，必然会受到地球磁力线的作用，正如希腊业余科学家克里斯托菲洛斯（Nichholas Christofilos）于1957年所提出的：宇宙射线中的带电粒子将受到地球磁力线的偏析，沿螺旋线绕着地球磁力线从北磁极跑到南磁极又跑回去，形成一个围绕地球的轮胎型电荷密集区，这个密集区远在大气之上。这个远在地球大气之上的胎型电荷密集区是个高速运动的电荷密集区，由电磁学原理可知，运动着的电荷必然会产生磁场，又因远在地球大气之上的高速运动着的胎型电荷是被地球磁场打偏的，故由它产生的磁力线方向必与地球磁力线方向相反，这样一来，在地球及地球大气层外以上空间就形成了两个大磁体，地球及大气内层构成一个内磁体（即地球磁体），远在地球大气层上的由胎型运动电荷构成的包围着内磁体的外磁体，内磁体与外磁体磁极极性相反。1958年美国的物理学家范艾伦（James Alfred Van Allen）指导一个研究小组用火箭进行观测，证实确实存在这样的区域，这个区域起先叫做“范艾伦带”，后来叫做“磁层”，外磁体就是这个“磁层”。五、地球磁极倒转的原因宇宙射线时刻不停地射向地球，造成外磁体的磁场强度不断增加，而外磁体与内磁体的磁力线方向是相反的，这样，不断增强的外磁体就不断削弱着内磁体磁场强度，致使内磁体磁场强一步步减弱至零，然后又转变成与外磁体磁场一致的方向，地球磁极就颠倒了一次，内磁体得到外磁体的磁化而磁场强度一步步增加，此时，由于内磁体磁力线反向而使宇宙射线向原来的反方向偏转，由它产生的磁场与外磁体磁场方向相反，进而一步步削弱外磁体的磁场强度一直至零，然后转向，转向之后一步步增强。如此这样，内磁体（地磁体）与外磁体（范艾伦带或磁层）的磁极就不断地转向，且磁场强度时强时弱。六、星体形成磁场的条件从磁性性质方面分类，物质分为三类：①铁磁性物质（包括铁、钴、镍三种金属，极易被磁化并产生很强的磁感应强度，导磁率极高）；②顺磁性物质（如氧等能被磁化的物质）；③逆磁性物质（如氮等不能被磁化的物质）。一个星体是否具有熔融的铁镍核心不是形成磁体的条件，地核就算有熔融的铁镍核心在旋转，由于铁镍核心整体是电中性的，旋转的电中性物质不能形成磁场，整个太阳系九大行星中仅金星无磁场，类木行星中仅土星有重核（不是熔融核心，也不是铁镍核心），其它如木星、天王星、海王星、冥王星都无重核，且全部由轻气体及冰物质构成，如木星、土星至少都含有93～97%的氢，剩下的大部分是氦，但它们都具有磁场强度，其中木星的磁场强度是太阳系中最高的（1974年，先锋10号飞船测定木星磁场强度为6高斯），是地球磁场强度的20余倍。一个星体只要它稍快旋转和构成物质中含有铁磁性物质或顺磁性物质（含有铁磁性物质及顺磁性物质的物体可成为软磁体），则这个星体就能形成磁场，含有的铁磁性物质和顺磁性物质越多，旋转得起快，则这个星体的磁场强度就越强，太阳系九大行星自转周期及直径如下：名称 自转周期(小时) 直径（公里） 直径/周期(小时) 以地球为1的倍数水星 1407.5 4880 3.47 0.0065 金星 5832 12100 2.07 0.0039 地球 24 12756 531.5 1 火星 24.6 6787 275.9 0.519 木星 9.8 142800 14751.43 27.75 土星 10 120000 12000 22.58 天王星 17.24 51800 3004.64 5.65 海王星 16 49500 3043.75 5.82 冥王星 153.28 2700 17.61 0.033 类地行星都有熔融的液态铁镍核心，但铁镍在居里点（约800℃）以上变成了逆磁性物质，故这种熔融的铁镍核心反倒造成类地行星的磁场强度低于类木行星。类木行星中冰物质（H2O）含顺磁性物质氧，故它们可被磁化，类木行星是比类地行星易磁化的软磁体，行星的磁场强度基本上与线速度（直径与周期的比例）成正比。九大行星中磁场最强的是木星，其次是土星，最弱的是金星（几乎全无）。七、地球磁极倒转周期在正常情况下地球磁极倒转周期基本上恒定，当遇上太阳上出现强磁暴及太阳系附近有超新星爆发时，则倾向地球的宇宙射线大大增强，会造成倒转周期缩短；如果地球随太阳系长期在宇宙射线密度稀的太空中漂移，则地球磁极的倒转周期会延长。在太阳出现强磁暴期间，外磁体（磁层）的边界被太阳风“吹成”流线型的泪珠状，在面向太阳的一侧磁层是平缓光滑的，在背向太阳的一侧变成一条长尾巴，在正对着我们的方向出现太阳耀斑时，产生局部加热了的太阳风，这是压向我们的一阵带电粒子风暴，它使得磁层粒子泛滥，粒子异常多地倾泻到极区，使得极光增强（我国历史上关于极光的记载非常丰富，仅从公元一世纪到十世纪期间据初步查获的史料约有170次左右），引起地磁的不规则性，磁暴产生后扰乱了无线电通信工作，地球磁极倒转周期也大大缩短。如果地磁场正在减弱，科学家可通过测量一定时间内（如1年、5年、10年、20年、50年）的地磁场减弱程度，并找出地磁场减弱的规律（如为线性关系则计算极为简单），可计算出地磁场减弱至零的时间，这样就测算出了地球磁极下次倒转的时间。八、地球木星等行星中心热能来源地球核心有高达5000℃的熔融球体，它将通过地墁、地壳不断向外散发热能，因为组成地墁和地壳的岩石和土壤都有一定的导热系数，另外还有岩浆爆发，地热水释放散发了大量的热能，且地球上已挖掘出了35亿年前的生物化石，说明地球表面在35亿年就具有适合生物生存的环境，那时的地表温度就应在50℃以下，地球已经过了漫长的35亿年以上的散热时间，但现在仍有一个那么大的高温核心，说明地核应一边在吸热才能维持，地球从哪里吸收能量呢？地球外表周期性的磁场变化就提供了这种能量，整个地球就象一个大感应加热电炉，变化的地球外层磁场将地球核心的铁镍和其它能导电的物质加热。科学家已测量出木星散发的热能比吸收的太阳能大三倍，这多余的能量从哪里来，有的科学家推测可能是放射性发热或木星上进行了核反应，但木星那么低的温度不可能进行核反应，且木星物质主要是轻气体和冰，没有铀、环等放射性原料，也不可能有放射性发热，原因也在于变化的木星外磁场加热了含导电物质的木星球体。九、地球磁极倒转时对地球人类的影响地球磁极倒转之时，地球无磁场，太阳粒子及宇宙射线将会猛击地球大气层，对地球气候和人类命运产生致命的影响，一些低轨道的人造卫星将完全暴露在太阳电磁风暴的吹打中，不久就会被完全摧毁。许多靠地磁导向的生物，诸如燕子、羚羊、鲸鱼、鸽子和超磁性细菌等，都会迷失方向，这是目前人类对地球磁极倒转的悲观看法，其实由于地球及外围存在大小两个磁体，当地球无磁场时，正是磁层磁性最强的时候，因此，在地球磁极倒转之时，虽地球无磁性，但地球外层空间存在一个强磁体——磁层，这时，磁层肩负着保卫地球的命运。虽然地球磁极倒转会给地球造成一定的影响，但不是致命的，人类既不要悲观失望，也不能掉以轻心。 参考资料：（1）张玉哲•中国大百科全书天文卷[M]•中国大百科全书出版社1980 （2）（美）I•阿西摩夫•宇宙[M]•科学出版社1984 （3）（美）GB菲尔德•宇宙演化[M] •科学出版社1985 地址：湖南省广和化工有限公司何相华 总工程师 13548698928 地址:湖南省宁乡县宁乡大道

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