地球磁場是怎麼產生的

從中國古人發明指南針以來,人們就已經知道地球存在著南北極對稱的磁場,幾千年來,人們對這個磁場的存在習以為常,很少有人對此現象的本質做過深入的研究.大約在本世紀50年代末,人們發現地球的磁場讓太陽風"壓"在一個水滴形的區域中,稱之為磁層.地球的巨大磁場從此開始引起許多人的注意.

傳統的觀點認為,地磁場是由地球內部的鐵質物質形成的.有的科學家甚至十分肯定地說,地球有一個鐵質的地核,有許多科普文章也是如此解釋的,這真是無稽之談.

為了說明這一點,我們不妨回顧一下居里夫婦的研究成果.我們現在所見到的鐵磁質是鐵的化合物或鐵與其它物質的混合物,它們的特性雖然與地磁場極其相似,但絕對不是地磁場成因.因為居里夫婦的實驗證明,鐵磁質在770℃(居里溫度)的高溫中磁性會完全消失.在地層深處的高溫狀態下,鐵會達到並超過自身的熔點呈現液態,決不會形成地球磁場.

法國科學家安培在一百多年前就已揭示了"磁現象的電本質",事實上人們早就應該明白地磁場的產生必然是與電現象有本質聯絡的.

按照物理學研究的結果,高溫,高壓中的物質,其原子的核外電子會被加速而向外逃逸,所以,地核在6000K的高溫和360萬個大氣壓的環境中會有大量的電子逃逸出來,地幔間會形成負電層.

按照麥克斯韋的電磁理論,可以總結出這樣一句話:電動生磁,磁動生電.所以,要形成地球南北極式的磁場,必然需要形成旋轉的電場,而地球自轉必然會造成地幔負電層旋轉,即旋轉的負電場.

磁場由此而生.

然而,這會不會使人們陷入"先有雞還是先有蛋"的困惑之中呢 也就是說,磁場,電流和旋轉,這三個基本條件,哪一個是先產生的呢

這裡沒有牛頓說的"上帝的第一次推動",那麼,是什麼原因導致了康德所說的"第一次起動"呢

只要有這三個條件中的任何一個,軸對稱的磁場和穩定的自轉就被啟動了.在這三個條件中,第一條是主要的.從多年的實踐來看,地球磁場受到太陽磁場的影響是很大的,地球的磁極與南北極不重合現象,就是太陽磁場對地球的第一次激發造成的,因為地軸與赤道面存在著一定的傾斜角度.

天文學發現天王星的磁場不是兩極對稱的,而是彎曲的,如果這是真實的,也可以說明它受到了另一個磁場"太陽磁場"的影響.其原因與它的執行姿態密切相關,它是"躺"在公轉軌道上執行的,太陽磁場的影響使它的磁場發生了彎曲.

地核中大量電子的逃逸必然使地記憶體在定向的電流,這可以用左手定則來斷定:讓地磁N極(地理南極)的磁力線穿過手心,拇指指向地球旋轉的方向(由西向東),其餘四指所指的方向就是電流的方向.由此可以看出,這個電流的方向是從地表指向地心的,由於電流的方向是電子運動的反方向,所以,可證明現階段正有電子從地球深處向外逃逸.地球內部磁場根據右手定則來判斷是個兩端開口的橢圓蛋殼形狀.

但是,地球內外擠壓的過程不是永恆的,擠壓的結果是達到原子核間斥力和正負電場引力的平衡.當擠壓過程結束時,電流消失,自轉驅動力會消失, 地磁場也將消失,太陽發射出來的各種射線會直達地表,密集的正電粒子對電子的中和作用將進一步增強,使地幔層的電子減少,負電場減弱.這必然使地心的壓力減小,引力將會變小,地球的"腰圍"也必然會變粗.當地核的斥力佔有絕對優勢時,地球將會進入膨脹期,地幔層的電子會迴流向地心,如果此時地球仍存在一定的自轉慣性,那麼,地磁場的方向會發生變換;如果此時的地球已完全停止自轉,那麼,還有可能是磁場的方向不變而改變的是自轉的方向.因此,有兩種結果產生:要麼地磁反轉,要麼自轉反向.

"地磁反轉"學說對此提供了可*的依據——近年來,許多地質學家一致認為在過去的7600萬年中地磁至少反轉過171次.因為許多國家已經從地質勘測中查到了地磁反轉的證據.

法國和美國的科學家透過10Be分析法證實地磁場發生過逆轉.地球上的Be(鈹)元素都是以穩定的9Be存在的,如果有10Be存在則與地磁場消失有關,地磁消失時,磁層和電離層消失,宇宙射線中的高能粒子會直達地表,在它們的轟擊下,氮氧等元素會發生裂變反應,產生7Be和10Be.7Be的半衰期很短,將很快消失,而10Be的半衰期卻很長,找到10Be就等於找到了磁極反轉的證據.七十年代,科學家在大西洋海底4731米深處發現了較高濃度的10Be,相應的地質年代為70萬年,從而證實,在70萬年前有過一次地磁反轉.

——地磁反轉,正是地電流的反向流動造成的.

烏克蘭專家們也探測到,地球磁通量數值在最近200年裡大大減小,按現有的速度遞減,再過1000年地球的磁通量將降至零值.

英國地質觀察中心阿蘭·湯普森教授指出,地球磁場在歷史上不止一次曾消失過,地球磁極的變換是這種現象的結果.有的科學家推斷,地磁場發生逆轉前,磁力急劇減弱,直至消失,其後約需1萬年時間磁力強度才逐漸回覆,但磁極方向卻完全相反了.

這真是一項重大發現.

可以肯定,地磁變換的週期將越來越長,直到最終停止,成為一顆死行星.

如果仔細分析地磁產生的原因,人們就會明白,磁極變換和電子運動方向的改變是密不可分的兩個現象,而這個過程是個耗能的過程,週期逐漸變長顯然是不奇怪的,總有一天這個過程會完全終止,而使地球成為一顆沒有電磁活動的死行星.

對於人類和所有生物來說,地磁變換是災難性的.地磁消失後,太陽的各種射線都會直達地表,強烈的輻射會使動植物發生變異生長.當地磁變換後,地內電子迴流的速度遠遠超過擠壓時的逃逸速度,而且電流強度也比逃逸電流的強度大得多,這使地磁場的磁通量增加至現階段的幾倍甚至幾十倍,較強的電流和磁場會給地球自轉以強大的動力(安培力),地球將以極快的速度自轉,地殼會被離心力扯裂,體積將增加至現階段的數倍甚至數十倍.

由於負電場力的減弱,地球在太陽磁場中受到的洛侖茲力將會減弱,磁極反轉使地球磁場與太陽磁場相排斥,公轉軌道將向日外偏離,它將加入"外行星"的行列,這種現象將維持到下一次磁極變換.

因此,地球磁極的變換是人類面臨的最大的威脅。

地球磁場成因是地球物理學重大理論難題之一，它與地球演化、地球內部能量和物質運動、天體磁場的成因等問題密切關聯。

• 幾百年來，這個題目一直吸引著許多科學家，他們曾先後提出過不少假說。

• 如旋轉磁效應、旋轉電荷、自由衰減電流，磁暴引起的電磁感 應、熱電效應、重物旋轉、繞結理論等等。

• 雖然這些假說都具有一定的意義，但卻沒有一種令人滿意的解釋地球的永磁性問題。

• 任何一種合理的地磁成因論，都必須從地球內部的結構和性質出發，能解擇地球磁場下述的一些現象:

• (1) 地球磁場在近地空間的形態，接近於一箇中心磁偶極子磁場；

• (2) 地磁軸偏離地球自轉軸通常只是一個不大的角度，而且就大約10^6a的時間平均而言地磁軸與地球自轉軸相重合;

• (3) 地球磁矩大約為10^22一10^23A·m^2，而且在整個地磁場歷史中變化不大。地球磁場在地面上的強度約為0.5x10^-4T；

• (4) 地球磁場具有非偶極子磁場成分；

• (5) 地球磁場存在長期變化現象，並且可能具有10^2、10^3年和10^4年量級的一些分立週期；

• (6) 地球磁場會反覆發生倒轉；

• (7)地球磁場至少已存在10^9a。

•假設宇宙大爆炸過後，形成了新的星系，地球磁場的初始狀態是受到太陽磁場的影響而產生的地磁場。在太陽強大磁場的作用下，由於地球的公轉，使其地球中的類似於環形鐵鎳金屬物質的導體切割太陽的磁力線，從而形成了環形電流。巨大的環形電流在太陽磁場的作用下產生運動，這個運動推動了地球的自轉，地表的環形電流遠小於地幔和地心，所以，對地球的公轉和自轉影響不會太大(因為地表中的鐵鎳物質體積和密度遠小於地幔和地心)地球初始的自轉速度較慢。因為地球的自轉，又增加了地幔和地心的環流(電流)強度，也就使地球的自轉速度(提升)永遠保持在當前的恆定速度。於此同時，也增加了地表鐵鎳物質的環形電流強度，這一強大的環形電流，促使地表環形鐵鎳金屬物質產生強大的感應磁場，也就形成了地球的內部磁場，地球的內磁場遠大於太陽的磁感應強度從而形成了獨立的地球磁場。所以，地球的磁場由此而產生(地球只有永遠的保持公轉和自轉運動，才會有地磁的產生)。

第一種看法認為地球內部有一個巨大的磁鐵礦 ，由於它的存在，使地球成為一個大磁體。這種想象很快被否定了。因為即使地球核心確實充滿著鐵、鎳等物質，但是這些鐵磁物質在溫度升高到760℃以後，就會喪失磁性。尤其是地心的溫度高達攝氏五六千度，熔融的鐵、鎳物質早就失去了磁性。因而不可能構成地球大磁體。

第二種看法是認為由於地球的環形電流產生地球的磁場。因為地心溫度很高，鐵鎳等物質呈現熔融狀態，隨著地球的自轉，帶動著這些鐵鎳物質也一起旋轉起來，使物質內部的電子或帶電微粒形成了定向運動。這樣形成的環形電流，必定像通電的螺旋管一樣，產生地磁場。但是這種理論如何去解釋地球磁場在歷史上的幾次倒轉呢?

第三種看法認為是地球內部導電流體與地球內部磁場相互作用的結果，也就是說，地球內部本來就有一個磁場，由於地球自轉，帶動金屬物質旋轉，於是產生感應電流。這種感應電流又產生了地球的外磁場。因此這種說法又稱做"地球發電機理論"。這種理論的前提是有一個地球內部磁場，那麼，這個地球內部磁場又是來源於什麼地方呢?它的變化規律又是怎樣的呢?這又無法解釋！