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地球磁场的变化与倒转【漫谈地球物理2010-10-06】 精选

已有 8300 次阅读 2010-10-6 23:32 |个人分类:地球物理|系统分类:科普集锦| 漫谈地球物理

       迄今,地球物理学领域存在很多重要的、具有挑战性的未能完全解决的难题,一些难题的解决,可能涉及物理学、化学及生命科学等领域的基础,更与我们人类生活的方方面面紧密有关。这样的一些问题包括:1、地震的孕育与发生机理;2、地球磁场的起源与维持机理;3、地幔对流与板块构造的关系,等等。

       以地球磁场的起源与维持机理为例,实际上,这是传统物理学的一个经典问题,基本上可以说,自近代物理学诞生以来,比如地球磁场的起源这样一类问题,便存于历代物理学家们的脑海之中,而一直挥之不去,并且到如今也没有找到一个特别令人满意的答案。

       关于地球磁场,其核心问题是:1、地球磁场是如何起源的?2、为什么地球磁场存在包括准周期在内的一系列变化,特别是存在地球磁场的准周期倒转现象?可以这样说,这样的问题彻底解决之日,必是其得到诺贝尔奖之时!

       我在博文“再谈海底扩张与板块构造”中,曾经谈到过地球磁场的倒转证据,在建立海底扩张与板块构造学说的过程中,曾经如何起到过重大的作用。

       很长一段时间以来,尤其是最近一百年来,有很多物理学家介入到这样的物理机理方面的研究与探讨,包括一些知名的研究量子霍尔效应的物理学家,相应地提出了关于地球磁场起源与运行机理的多个假定。

       相比较其它所有假说而言,地球磁场起源的发电机理论,能够解释更多的观测现象,特别是能够很好地解释产生准周期的地磁场倒转现象。例如该理论能够较好地解释在已经过去的近一亿年时间内,地球磁场曾经发生了超过150次的倒转现象,因而能够被多数的地球物理学家们所认可:

       1995年,一个基于该理论的框架结构、并且比较激动人心的研究结果发表于Nature,其得到的大规模数值模拟结果显示(图一),地球磁场之所以发生如此的变化方式,是由于地球固体内核与整体地球之自转角速度的差异变化引起的。

       紧接着,便立刻跟进两个独立的地震学家研究小组,试图寻找到有关的地震学支持证据,他们的研究结果分别发表于1996年的Nature与Science,其获得的地震学证据都表明,现阶段地球的内核自转速度,一般地要快于整体地球的自转速度,其快速程度的上限分别被估计为:大约300年和120年左右快那么一圈(图二)。

       打个比方,如果每200年地球内核较整体地球的转速快一圈,这种情况意味着,设想一开始有两个都生活在北京这个经纬度位置的人,一个人站在地球表面,另一个人站在地球的内核表面。但随着时间的慢慢前移,生活在内核表面的那个人,便会越来越早一些地较地表之人,看到太阳的东升西落;这样累积至200年后,生活在内核表面的那个人,便会看到太阳从东方的地平线上多升起一次。

       自1996年之后,包括最初的两个研究小组在内的更多研究小组,对此进行了持续的跟进研究。不过,这一系列有关地震学方面的研究结果,基本上给出了一个逐渐变小的趋势估计,大致到超过约5000年快一圈,可能要超过1万年才快那么一圈的程度;部分研究甚至得不到一个明确的地震学支持证据。

       需要说明的是,我们站在地球表面观测到的地球磁场之变化规律,即近地表地球磁场一直变化,并且存在倒转的情况,与我们进入到远离地球的外太空中,所观测到的地球磁场情况,具有极大的不同;后者的最大特点就是,环绕地球磁极的N极方向,恒定指向地球的地理南极之上方。

主要参考文献:

1、Glatzmaier G A and Robert P H, 1995, Nature, 377, 203-209.

2、Song X and Richards P, 1996, Nature, 382, 221-224.

3、Su W et al., 1996, Science, 274, 1883-1887.  



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