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地球是一个电磁铁

作者:DSDC [字体: ]
地球是一个巨大的磁体。地球磁场遍布于地球内部、大气层以及地球周围的广大空间。地球的磁性,是地球的一个重要物理属性。地球磁场对于人类的生活和生产均产生着重要的影响和作用。随着杜会的进步和科学技术的发展,人类对其生存环境的关注程度日益增加,在当今日趋活跃的探索空间的活动中,人类对地球磁场的各种测试工作是一项重要的内容。

    地球的磁性是怎样形成的

    我们曾提出大气运动产生地球磁场的理论,认为地球磁场是地球自转的结果。地球磁场主要在大气圈产生,而不是在地球内部深处。

    我们曾经把大气看成一个巨大的通电“螺线管”。这个巨大的“螺线管”上密布着定向的环形电流。正是这些环形电流形成了地球磁场。地球磁场的极性跟电流方向的关系,符合安培定则。我们还运用这一理论解释了太阳风暴到达地球时地球磁场的变化,以及地球的地理两极跟地磁两极不重合的自然现象。

    当时,有些人对我们的理论从不同的角度提出许多问题。对于这些疑问,我们已尽可能地作了回答。这里要说明的是,地球表面电荷随同地球旋转时也产生磁场,是我们在探讨“地球磁场主要是由于大气中的带电粒子在随同地球一起旋转时产生”的问题时,需要加以考虑的一个因素。现在,再对地球内部的磁核问题进行一些探讨,并对地球磁极游荡的现象和地球磁场倒转的现象加以解释。

    关心地球磁场的人大多都知道,地球内部磁场的磁场强度大于地球外部磁场的磁场强度。这一现象表明地球的磁场主要是集中在地球内部,即地壳以下的深处,而且现在已经证实,地球内部确有磁核存在。

    在人们寻找地球磁性起源的时候,地球磁场的这种分布情况,把人们的目光导向了地球的内部。长期以来,许多人都深信,地球的磁场主要是在地球内部深处产生的。于是,人们总是在地球内部寻找地球磁性起源的答案,400年前,英国物理学家吉尔伯特提出地球是巨大磁体的理论;同时,他还提出地球的磁场主要是由地球内部深处产生的。从那以后,为了说明地球的磁场,人们提出许多种解释。这些解释都不外乎在地球内部深处进行的探讨。现代最有影响的地球磁性理论——埃尔萨塞和布拉德的发电机理论,也是在地球内部深处进行探讨的。当人们证实了地球内部确有磁核存在以后,似乎地球的磁性起源于地球内部的深处,已经是再也无须怀疑的事实。

    长期以来,人们采用不同的研究方法来“探察”地球内部深处,逐渐形成了地球内部构造的现代概念。地球内部有个半径大约为 3500公里的地核,地核由铁镍成分的熔融金属组成,温度达5000~6000摄氏度。地核具有很强的导电性。因此,用地球内部的电流作用来解释地球磁场产生的机制的理论便成为一种很有影响的理论。

    地球内部磁场的磁场强度大于地球外部磁场的磁场强度,以及地球内部有磁核存在,是现在—般大都认同的事实。问题是为什么地球的磁场主要集中在地球内部?而地球内部的磁核又是如何形成的呢?

    任何物质在磁场的作用下都能或多或少地被磁化,只不过是被磁化的程度不同。我们认为是大气的运动产生了磁场,而地球是处在大气所产生的磁场中。在大气磁场的作用下地球的内部圈层被磁化。这样,地球便成为了一个巨大的磁体。因此,地球磁场主要是由作为地球的外部圈层的大气所产生的磁场,以及被大气磁场磁化了的地球的内部圈层所产生的磁场共同作用形成的。

    由于地球内部大量的物质在大气所产生的磁场的作用下惯性化,所以地球内部的磁场强度很大。而地球内部的磁核也是这样在大气所产生的磁场的作用下形成的。

地球磁场主要由地球的大气圈产生,因而可把大气看成一个巨大的“通电螺线管”。通电螺线管表现出来的磁性与条形磁铁相似,它的一端相当于北极,另一端相当于南极。当给螺线管内插入铁芯时,由于铁芯被磁化,磁场就会大大增强。因此把螺线管套在铁芯上,就构成了一个电磁铁,电磁铁的磁性比螺线管的磁性强。

 

    由此,在把大气看成一个巨大的“通电螺线管”的同时,还可以把地球地壳表面以内的部分(地球的内部圈层),看成是插在这个巨大“通电螺线管”内的“铁芯”。由于这个“铁芯”被磁化,地球磁场便大大加强,这样地球就像是一个“电磁铁”。地磁场主要由这个巨大的“电磁铁”产生。在地球这个巨大“电磁铁”的“铁芯”被磁化的情况下,由于各种物质在地球内部的分布情况不同,加之其他因素(如温度、压力等)的影响,在地球内部就形成了磁核。

    古地磁学的证据表明,古代的地球磁场与现在的磁场极为不同。例如,在各个不同时期,磁极的位置基本不同。这就是说,磁极可能迁移了几千里路。并且人们已经发现,地球磁场能够突然转换极性方向,使磁北极变成磁南极,磁南极变成磁北极。

    对于地球磁场出现的这些奇怪现象,使人们既困惑又感兴趣。于是人们在探究地球磁性起源的同时,也试图对这些现象加以解释,但至今也没有对地球磁场这些奇怪现象的成因,做出令人满意的解释。那么,是否可以用大气产生地球磁场的理论,解释地球磁极迁移现象和地球磁场倒转现象?

    地球除自身内部的物质运动外,它的绕轴自转运动和绕日公转运动,是人类最为熟悉的自然现象。有自转,就有赤道平面;有公转,就有轨道平面,即黄道平面。在黄道平面与赤道平面之间有一个交角,叫做黄赤交角。目前的黄赤交角是23°26‘。地球一边绕轴自转,一边绕日公转,在天空的位置时刻变化,这种情况会影响地球的自转状态。

    实际上,地球的自转状态的确发生着变化。由黄赤交角的度数,并非是固定的就可以证明这一点。而地球自转状态的任何改变,都会使大气的运动随之发生变化。这就如同舞台上,舞蹈演员身上的舞衣随同演员舞姿的变化而变化一般。由于大气的运动发生了变化,即通过地球这个巨大“电磁铁”的电流发生了变化,根据安培定律,地球的磁极便会偏离原来位置。因此,地球磁极迁移的现象,就是由于地球运动变化所致。造成地球运动变化的因素是多方面的,来自地球本身或者地球以外空间的某些作用都有可能对地球的运动产生影响。例如,地壳的运动就有可能对地球自转的状态产生影响。

    地球磁场的确有可能突然转换极性方向,使磁北极变成磁南极,磁南极变成磁北极。地球磁场的倒转在过去的地质时期曾经发生过很多次。

    关于地球磁场的翻转现象,是一个比较复杂的问题。大气运动产生地球磁场的理论认为,大气中的正负带电粒子在随同地球一起旋转时,产生了两个极性相反的磁场。这两个极性相反的磁场,大部分磁性都抵消了,但并没有全部抵消,这样就产生了地磁场。

    地磁场既然由两个极性相反的磁场共同作用形成,那么在地球各个不同的地质年代,由于大气情况(大气的成分、温度、分布及运动等)的不同,这两个磁场的强弱会发生变化。在某一个时期里,某种带电粒子所产生的磁场强于(或者弱于)另一种带有相反电荷的粒子所产生的磁场。在接下来的另一个时期,如果大气的情况发生变化,这种带电粒子所产生的磁场就有可能又弱于 (或者强于)另一种带有相反电荷的粒子所产生的磁场。当此种情况发生时,地球磁场就会出现翻转的现象。

    了解电磁铁的人都知道,当流过电磁铁的电流改变方向时,电磁铁的南北极就会对调。由于大气的变化,大气中正、负带电粒子相对运动的情况也在发生变化,当这种变化达到一定程度,致使这一相对运动发生逆转时,地球这个巨大“电磁铁”的电流方向就会改变,这时地球的南北磁极就会对调。

    地球只是宇宙中的沧海一粟。同地球上的许多自然现象经常要受外界作用的影响一样,地球磁场也不是孤立的,它会受到外界影响。例如,太阳风磁场对地球磁场施加作用,形成一个被太阳风包围的、彗星状的地球磁场区域,这就是磁层。地球磁层是一个更为复杂的问题。目前,科学家正在对其进行研究。


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