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地球磁场起源的云发电假说

已有 539 次阅读 2019-12-21 16:03 |系统分类:科研笔记| 多发电机体模式, 云发电假说

 地球磁场起源的云发电假说

陈宝群

(陕西师范大学地理科学与旅游学院  西安  710062) 

历史上,英国人吉尔伯特在1600年提出比较系统的地磁场理论概念,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《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,创立描绘地磁场的数学方法,使得地磁场的测量和起源研究都可以用数学理论来表示。这些主要是一种形式逻辑上的理论,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,而对于地磁场的起源,学术界一直没有找到一个令人满意的答案。目前,关于地磁场起源的假说归纳起来可分为两大类,第一类假说是以现有的物理学理论为依据;第二类假说则独辟蹊径,认为对于地球这样一个宇宙物体,存在着不同于现有已知理论的特殊规律。属于第一类假说的有旋转电荷假说。它假定地球上存在着等量的异性电荷,一种分布在地球内部,另一种分布在地球表面,电荷随地球旋转,因而产生了磁场。这一假说能够很自然地通过电与磁的关系解释地磁场的成因。这个假说却有一个致命缺点,首先它不能解释地球内外的电荷是如何分离的;其次,地球负载的电荷并不多,由它产生的磁场是很微弱的,根据计算,如果要想得到地磁场这样的磁场强度,地球的电荷储量需要扩大1亿倍才行,理论计算和实际情况出入很大。以地核为前提条件的地磁场假说也属于第一类假说,弗兰克在这类假说中提出了发电机效应理论。他认为地核中电流的形成,应该是地核金属物质在磁场中做涡旋运动时,通过感应的方式而发生。同时,电流自身形式的场就是连续不断的再生磁场,好像发电机中的情形一样。弗兰克所建立的模型说明了怎样实现地磁场的再生过程,解释了地磁场有一定的数值,而在应用这种模型的时候,却很难解释地核中的这种电路是怎样通过圆形回路而闭合。此外,这个模型也没有考虑到电流对涡旋运动的反作用,而这种反作用是不允许涡旋分布于平行赤道面的平面内。属于第一类假说的还有漂移电流假说、热力效应假说和霍尔效应假说等,但这些假说都不能全面地解释地磁场的奇异特性。关于地磁场起源还有第二类假说,这其中最具代表性的就是重物旋转假说。1947年,布莱克特提出任意一个旋转体都具有磁矩,它与旋转体内是否存在电荷无关。这一假说认为,地球和其他天体的磁场都是在旋转中产生的,也就是说星体自然生磁,就好像电荷转动能产生磁场一样。但是,这一假说在试验和天文观测两方面都遇到了困难。在现有的实验条件下,还没有观察到旋转物体产生的磁效应。对于天体的观测结果表明,每个星球的磁场分布状况都很复杂,尚不能证明星球的旋转与磁场之间存在着必然的依存关系。这样,关于地磁场的起源问题,学术界仍处在探索与争鸣之中,尚没有一个具有相当说服力的理论,对地磁场的成因做出合理解释。

磁性地层学(magnetic-stratigraphy)是地层学的一个分支学科,是古地磁学在地层学中的具体应用。通过岩石天然剩余磁性的测定,求出地磁场的极性变化来研究地层。与现在地磁场方向一致的极性为正向,方向相反的为反向,在整个地史中把正向和反向按先后顺序排列起来,即成地磁极性年表。从第四纪前推到新近纪后期(最近450万年间)的地磁场倒转表,按顺序已划出4个极性时:布容正向极性时、松山反向极性时、高斯正向极性时、吉尔伯特反向极性时。极性期内,还有一些数量级可达到1~10万年、且与该期持相反极性的时间称为事件,它是以最早发现这种极性的岩石地点来命名的,例如松山反向极性期中的奥都威正向极性事件和留尼昂正向极性事件等。国际地层委员会为了推动磁性地层学的发展和确立磁性地层极性单位的术语,于1972年成立了地磁极性年代表分委员会,该分委员会第一次会议上正式地认可了上述地磁极性年代表。1979年,E.A.曼基南等根据新的钾-氩衰变常数校准值,对这个极性年代表作了修正,很快地被各国学者公认和运用。安芷生率先将第四纪磁性地层学引入中国(安芷生.古地磁方法在第四纪研究中的应用[J],地球与环境,1975,(01):1-6),大量应用于中国黄土对东亚古季风演变研究(文献略)。值得我们高度重视的正是这些短时间尺度的极性事件(1979年的《国际地层指南》建议把期(epoch)改用时(chron)、事件(event)改用亚时(subchron)。)。即,如果我们根据地球内部圈层自转速度差异来解释这些快速倒转的极性事件,可能面临很大的理论困难,同时也无法证实。本文认为,吉尔伯特与弗兰克等的发电机体假说基本正确,但地球磁场的发电机不在地球的内部,而是在地球的外部,即太阳风影响,这样地球内部圈层自转速度的快速变化就可以产生地球磁场的极性事件。这一点至少得到地球磁场对太阳风扰动响应研究(丁留贯,蒋勇,徐飞.地球磁场对太阳风扰动响应的研究,空间科学学报,2011,31(2):170-175.)部分证实。据张正坤的研究,构造运动的阶段性特征与地球磁场倒转存在对应关系(张正坤.显生宙以来地磁场频繁倒转与大地构造关系,中国地质科学院院报,1988,(18):73-78.),用岩石圈与大气圈的摩擦效应可以做出基本合理的解释。

在地球磁场起源的诸多假说中,发电机体假说得到比较普遍社会认可,关键正在于早在1683年E.Halley即已根据当时地磁场测量资料发现地球磁场的整体西移趋势,三百多年来的研究证实了这点并有更为具体的差异性认识。依据磁性地层资料构建新的理论模型,不仅需要“磁流体”(加引号,表示并非真正的流体,只需要满足磁场传导条件即可),而且需要两个“磁流体”层,两个磁流体层位之间应该是一个自由界面,满足自由界面条件的应该是软流层顶。由于岩石圈的主体部分以及软流层主要成份都是含铁锰物质丰富的上地幔橄榄岩,符合“磁流体”物质条件。西向漂移是地球主磁场长期变化的最重要特征,任何一个成功的地磁场起源理论都把能否合理地解释西漂作为检验标准之一(徐文耀,魏自刚.地球磁场的西向漂移,地球物理学进展,1999,14(2):44-57.),地磁场西漂研究历史表明,地磁场不仅具有显著的西漂特征以及明显的地域差异,同时还具有北漂特征。地球磁场的北漂特征应该说与板块运动的南半球扩张北半球收缩整体特征存在一定的事实关联,这样可以将前文提出的地球磁场起源的发电机体假说从地核移植到上地幔方案,依据地磁场西漂、北漂特征及其地域差异,考虑软流层及岩石圈的热力学差异,进一步概括提出地球磁场起源的“岩石圈-软流层多发电机体”模式。

从磁性矿物、顺磁性以及超顺磁性矿物受太阳磁场的太阳风直接作用产生地球磁场,是一种由磁生磁作用方式,与缝衣针在磁铁上的摩擦即可产生磁性原理基本一致,北宋科学家沈括在《梦溪笔谈》卷四杂志一中亦有记载:方家以磁石磨针锋,则能指南,然常微偏东,不全南也。)。综合考察前人对于地球磁场起源的探讨,主要的局限可能在于由旋转电场产生磁场这一作用的思维定势,这样磁生磁模式就具有比较显著的科学独特性,显著性和太阳活动引起的“磁暴”现象一样确定。

注:考虑到当今时代大家对于云存储与云计算的熟悉,定名为“云发电假说”。这个假说不一定就真的做得很好,提出来主要是供大家交流讨论,就当是一个研究线索。

2012年3月5日初稿,2015年7月23日修改

 



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