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论地磁场起源

投稿时间:2020-04-30 21:43 投稿人:汪长友 【字号: 访问量:

论地磁场起源

汪长友   

 

【摘  要】地核中的自由电子扩散到地幔中,地核和地幔带上等量正、负电荷。这些正、负电荷随地球自转而作圆周运动,形成了偶极子场;偶极子场使地壳和地幔中含铁的物质磁化,形成了非偶极场,偶极子场和非偶极场合成为地磁场。地壳能长期保持磁性,大陆漂移,出现了磁偏角,形成了现在的地磁场。地层中的反向地层和正向地层交替出现是地面冰期和间冰期交替出现形成的,磁极反转的说法是对反向地层的误解。

【关键词】扩散  自转  偶极子场  反向地层

 

初中物理第二册地磁场一节在最后指出:地磁场是怎么产生的?这个问题研究了多年,但直到现在还没有得到满意的结果【1】。2011922日笔者提出了地磁场起源于地核中自由电子扩散的观点,并利用这一观点解释了地磁场【2】。

地核主要是由铁组成的,有很多自由电子。地幔是由化合物组成的,没有自由电子。地核和地幔都处在高温高压中,这样地核中的自由电子大量扩散到地幔中,使地幔带上大量负电荷,地核带上等量的正电荷。由于地球自转,这些正、负电荷也跟着绕地轴作圆周运动,从而分别形成了和地球自转方向相同和方向相反的环形电流,这两种电流大小相等。由于负电荷比对应的正电荷到地轴的距离大,所以由负电荷运动形成的磁场磁矩比正电荷运动形成的磁场磁矩大。这两个磁场合成的合磁场的磁矩等于这两个磁矩之差,合磁场的方向与负电荷运动形成的磁场方向相同。这个合磁场叫偶极子场。由安培定则可知,偶极子场的北极在地理南极处,南极在地理北极处。这和地磁极位置大致一致。准确地说,偶极子场磁性最强的两个地方都在地幔中,分别在地理两极下靠近地核的地轴上。整个偶极子场关于地轴完全对称。偶极子场使地壳和地幔中含铁的物质磁化,形成了非偶极场。偶极子场和非偶极场合成为地磁场,其中偶极子场是主要的。地球形成之初,自转比现在快得多,偶极子场比现在强得多,非偶极场也比现在强得多。地壳的温度较低,在铁的居里点以下,磁化后的剩磁能长期保持。大陆漂移,大陆板块改变了位置,出现了磁偏角,形成了现在的地磁场。地球自转的方向不会改变,偶极子场的方向也不会改变,地磁场的大方向也不会改变。

二十世纪以来,人们在地层中发现了两个和现地磁场方向相反的地层,它们处在正向地层之间(笔者用正向地层和反向地层来表示磁场方向分别和地磁场方向相同和相反的地层),还知道了地层中约有一半正向地层和一半反向地层。于是人们认为“这一现象的唯一合理解释是地磁场曾多次发生过极性倒转”【3】。在古地磁面前,人们找不到了北。近一些年来,人们发现北磁极在快速移动,在网上经常看到人们议论说,地磁极又要反转了。

地球表面新形成地层的磁场方向和地面温度有关。地壳含铁的物质被磁化后,得到的磁性分子就像一个个小磁针,其北极大致指向北方。小磁针四周的磁场方向和内部的磁场方向正好相反。这些小磁针的指向既和地磁场的方向有关,又和温度有关。地磁场在各地的方向是不随时间改变的,而各地地面的温度却随着冰期和间冰期的交替而出现较大变化,导致形成的新地层的磁场方向发生变化。来到冰期时,地表温度降低,地面表层中分子的无规则热运动减弱,在地磁场的作用下,被磁化的磁性分子北极的指向进一步趋向地磁场方向,使得这时的地面表层的磁性增强,进而使得地面附近的空中在一定范围内出现了反向磁场,这时形成的地层就是反向地层。当地球从冰期进入间冰期,地表温度升高,地面表层内分子热运动加剧,磁性分子北极的指向趋于杂乱,使得地面表层的磁性减弱,地球表面空间完全被地磁场控制。这时就形成正向地层。地球冰期和间冰期交替出现,地层中的反向地层和正向地层就交替出现。我国学者研究“发现了第四纪亚冰期与地磁反向之间的对应关系:第四纪冰期的五个亚冰期与地磁反向期有很好的对应关系”,“大冰期和温暖期的转变,一定会发生地磁极性的转变”。“来自日本的一项研究也应证了这个观点”【4】。我国学者的发现,简单地说,就是发现了远古时期严寒的冰期形成的地层就是反向地层,“温暖”的间冰期形成的地层就是正向地层。这样,我们从不同的研究得出的关于地层的结论却是相同的。笔者认为,这绝不是偶然巧合,而是一种必然。必然就在于真相是唯一的。人们在开始发现反向地层时,为了解释这一现象,提出了地磁极性倒转(即磁极反转或磁极翻转)的假设。从那时起,人们便认为,地磁极性倒转、地磁场反向、地层磁场反向是一致的。于是,在应用中并不在意将这些概念区分开来。在前面引用的学者的话中,“地磁反向期”指地层磁场反向时期应该是没有问题的,而后面所说的“地磁极性的转变”是指地层磁场方向的转变,还是指地磁极性的倒转呢?就不清楚了。如果是指前面的,那么,这是我们能观察到的,是事实。而如果是指后面的,那么,这是我们观察不到的,需要讨论。地磁极的转变(即地磁场极性倒转亦即磁极反转)这个假设,因为被认为是对反向地层的“唯一合理解释”,而没有经过严密论证就被当作了事实。但是,假设仍然只是假设。这样一个假设成了随后一百年的时间里地磁场研究的重要依据,而影响着地磁场的研究。现在,我们可以看到提出这个假设完全没有必要。地层中的正向地层、反向地层是随着地球的间冰期和冰期的变化而变化的,是由地表温度决定的,并不需要磁极反转。磁极反转的说法实际上只是对反向地层的一种误解。

我们再来看本次北磁极迁移的具体情况(可以从有关资料的地图上看到)。如果真的要发生磁极反转,北磁极应该向南迁移,但是此次北磁极实际上是在快速向北极靠拢,是在向北移动,这不是南辕北辙,正好和磁极反转的方向相反吗?这和磁极反转扯得上关系吗?那么,北磁极为什么向北极靠拢呢?首先我们要知道测得的地磁极点是在地面上测得的,由于离偶极子场极点很远,测量时受到地壳剩磁影响更大,地壳剩磁的变化更能明显影响到测得的地磁极点位置的变化。当今由于社会快速发展,能源大量消耗,使气温快速上升,尤其是北磁极原来所在的北美大陆,是世界上最主要的发达国家所在地,那里气温上升更多,这使得保持在北美大陆地壳中的剩磁迅速消退,使偶极子场南极的作用迅速显现出来,这便是北磁极迅速向北极靠拢的真相。北磁极在靠拢北极的同时还在向西北利亚靠拢,原因也和前面的类似。这次北磁极的移动,不是磁极反转的前兆,而是局部地区地壳剩磁快速减弱和消失的结果。

利用本文运用的观点还可以解释地球周围的一些电现象【5】。

地核中自由电子扩散导致了地磁场。地幔和地核中所带的电荷随地球自转作圆周运动,导致了偶极子场;偶极子场使地壳、地幔中含铁的物质磁化,形成了非偶极场,偶极子场和非偶极场合成为地磁场。大陆漂移改变了地壳的位置,形成了现在的地磁场。

 

参考文献

1】初中物理第二册  人民教育出版社物理室编 人民教育出版社出版19873月第二版

2】再探地磁起源  科学智慧火花  中科院主办  2011922

3】地磁极性倒转  360百科

4】全球变暖导致地磁场减弱  科学网  杨学祥  杨冬红

5】地磁场起源  科学智慧火花  中科院主办  201971