地球磁場起源

歷史上，第一個提出地磁場理論概念的是英國人吉爾伯特。他在1600年提出一種論點，認為地球自身就是一個巨大的磁體，它的兩極和地理兩極相重合。這一理論確立了地磁場與地球的關系，指出地磁場的起因不應該在地球之外，而應在地球內部。1893年，數學家高斯在他的著作《地磁力的絕對強度》中，從地磁成因于地球內部這一假設出發，創立了描繪地磁場的數學方法，從而使地磁場的測量和起源研究都可以用數學理論來表示。但這僅僅是一種形式上的理論，并沒有從本質上闡明地磁場的起源。 現在科學家們已基本掌握了地磁場的分布與變化規律，但是，對于地磁場的起源問題，學術界卻一直沒有找到一個令人滿意的答案。目前，關于地球磁場的起源，歷史上曾有來自北極星的傳說，但是到公元17世紀初就已經認識到地球本身就是一個巨大的磁體，不過當時仍不清楚地球磁場是怎樣產生的。隨著科學的發展，對于地球磁場觀測和地球結構的研究不斷增多和深入，對地球磁場的起源先后提出了10多種學說。這里按照歷史的先后對一些各有一定根據或設想的地球磁場來源學說作簡單介紹：  
    (1)永磁體學說，是最早提出的一種學說，認為地球內部存在巨大的永磁體，由這永磁體產生地球磁場，但后來認識到地球內部溫度很高，不可能存在永磁體。  
    (2)內部電流學說，認為地球內部存在巨大的電流，形成巨大電磁體產生地球磁場，但是既未觀測到這種巨大電流，而且巨大電流也會很快衰減，不會長期存在。  
    (3)電荷旋轉學說(公元1900年)，認為地球表面和內部分別分布著符號相反、數量相等的電荷，由地球自轉而形成閉合電流，由此電流產生磁場，但這學說缺乏理論和實驗基礎。  
    (4)壓電效應學說(1929)，認為在地球內部物質在超高壓力下使物質中的電荷分離，電子在這樣的電場中運動而產生電流和磁場。但理論計算出這樣的磁場僅有地磁場的約千分之一。  
    (5)旋磁效應學說(1933)，認為地球內的強磁物質旋轉可以產生地球磁場，但這種旋磁效應產生的磁場只有地球磁場的大約千億分之一。  
    (6)溫差電效應學說(1939)，認為地球內部的放射性物質產生的熱量，使熔融物質發生連續的不均勻對流，這樣產生溫差電動勢和電流，由此電流產生地球磁場，但理論估計也同地球磁場不符合。  
    (7)發電機學說(1946－1947)，認為是地球內部的導電液體在流動時產生穩恒的電流，由這電流產生地球磁場。  
    (8)旋轉體效應學說(1947)，是根據少數天體觀測得到的經驗規律，認為具有角動量的旋轉物體都會產生磁矩，因而產生磁場。這一學說需要使用一無科學根據的常數，5年后又被提出這一學說的科學家根據精密的實驗結果加以否定了。  
    (9)磁力線扭結學說(1950)，認為在地球磁場磁力線的張力特性和地核的較差自轉，會使原始微弱的地球磁場放大，由此產生地球磁場。  
    (10)霍爾效應學說(1954)，認為在地球內部由于溫度不均勻產生的溫差電流和原始微弱磁場的同時使用下，會由霍爾效應產生霍爾電動勢和霍爾電流，由此產生地球磁場。  
    (11)電磁感應學說(1956)，認為由太陽的強烈磁活動通過帶電粒子的太陽風到達地球后，會通過地球內部的電磁感應和整流作用產生地球內部的電流，由此產生地球磁場。在這些學說中，只有發電機學說(又稱磁流體發電機學說)在觀 測、實驗和理論研究上得到較多的證認，是目前研究和應用較多的地球磁場學說。  
    (12)自由電子旋轉說（2006），是唯一由中國人王金甲先生，根據分子、原子學，結合地震波提供的地球深處高清圖像提出的嶄新學說。
地震產生的內部深層波動往往會在地核和地幔的介面上產生反射，反射波在傳遞到地表的過程中，如果碰到地下構造，就會發出微弱的信號。通過上千次地震得到的信號記錄以及1000多次的地震觀測，這支由MIT地球、大氣與行星學系(EAPS)教授RobvanderHilst領導的地球學家和礦物學家組成的跨學科小組得到了中北美洲高清晰度深層地球結構圖，從結構圖看地球外核是液態。
1996年7月24日第7版有一則報道：美國哥倫比亞大學地震學家宋曉東博士和保爾?理查茲博士一起，首次利用地震波測量了地球固態鐵質內核，發現它的旋轉速度比地球本身旋轉速度快，內核跟地球朝同一方向旋轉，內核赤道每年比位于赤道的地殼多旋轉19.31公里，內核在地球完成相對轉動一周需要大約400年。這一發現一經公布，立即在全世界引起了轟動。科學家們稱這一發現為令人震驚的重大發現，具有劃時代的意義。因為在此之前，人們普遍人為地核轉速最慢。
美國哥倫比亞大學的宋曉東博士是在1994年于加利福尼亞理工學院獲得博士學位的，之后在紐約州帕力塞的拉蒙杜赫地球觀察站工作，是一位杰出的地震學家。他和同事保爾?理查茲博士一起首次利用從五十多次地震現場和1967年到1995年期間重大核試驗現場發出的地震波測到的數據，觀察地球內核，其方法就像醫生利用超聲波觀察孕婦肚子里活動的胎兒一樣。其結果發現地球固態內核在高速自轉。在發生大地震和爆炸時，地震波就像池塘中的漣漪一樣，向外輻射，科學學們借助于傳感器就可以接收來自地下微弱的震動，從而測出它們的路徑和速度。以過多年的潛心研究，地震學家跟蹤地震波，終于有了這一驚人的突破，標志著一個全新領域的開端。
我們知道物質是由分子原子組成的，原子由原子核和電子組成（見原子結構圖）。  
火山爆發使我們知道地球內部是一個高溫世界。19世紀末，著名物理家居里在自己的實驗室里發現磁石的一個物理特性，就是當磁石加熱到一定溫度時，原來的磁性就會消失。后來，人們把這個溫度叫“居里點”。按照“居里點”的的結論地球內部不能有一個永磁體。  
    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，在內核與地幔間會形成一個汽液態的充滿自由電子的液體外核。  
    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，要形成地球磁場必須有電子移動。我們知道，一個線圈通上直流電，那么線圈周圍有一個直流電磁場（通上交流點，就是一個交流電磁場，變壓器就是利用交變磁場來實現變壓的。），這個磁場就是電子在線圈中移動的結果。
地球磁場，簡言之是偶極型的，就象一個“螺線管”通直流電的直流電磁場。地球內部的高溫、高壓，使地球內核物質逸出電子而強金屬化，不易流動，呈固體狀態。地球內核逸出的大量電子集中在相對內核壓力較小、溫度較低的液體外核球層。外核球層由于得到大量自由電子而呈非金屬狀的汽液態。大量的自由電子隨地球自轉，象電子在“螺線管”運動相仿，所以是擁有大量自由電子的液體外核隨地球的自轉而在宇宙空間建立了一個強大的地球磁場。  
地球自轉，使液體外核呈現一個扁球體，地球傾斜自轉也可以認為天體引力傾斜。傾斜的力使液體外核赤道面亦傾斜。液體外核的赤道面，既受慣性內核自轉控制，又受天體傾斜引力拖拽，使其自轉慣性改變方向，進而導致磁極既不與地球自轉軸重合又不與黃道面垂直，處于兩者兼顧狀態，事實也正是如此。“自由電子旋轉”說的誕生，給“地球磁場逆轉”帶來極大沖擊。首先我們了解所謂“地球磁場逆轉”一說的起源。
關于地球磁場逆轉，我們的前人既沒有記載，也沒有人經歷。原來是法國地球物理學家布容（BernardBruhnes）于1909年開始研究法國中部玄武巖流的天然余磁，研究區位于羅亞爾（Loire）南部高原。大多數樣品的磁性與預測結果相符，但有些樣品的磁性卻是反常的，因此布容吃了一驚。這些巖石里小磁鐵的指北極不是指北，而是指南；向上翹而不是向下傾。也就是說，它的定向與現代磁場正好相反。
1928年。“松山基范”對曰本200萬年以來的火山巖進行了類似的測量，他發現了反向的天然余磁。異常磁性都出現在一組較老的玄武巖中，而較年輕樣品的磁性方向卻都與現代地磁場一致。他突發奇想，大膽提出地球的磁極曾經倒轉過。沒有多少科學家相信松山的解釋，許靖華等大多數學者認為地磁極曾經發生倒轉的想法太異想天開，連他的同胞上田也不例外。上田當時還是一個剛出校門的地球物理專家。他不但排斥松山的荒誕想法，還試圖為磁性倒轉這一毋庸爭辯的事實找出一種較可信的解釋。根據他的實驗研究，上田提出了一種自倒轉現象。到1958年，他已證明在某些特殊情況下，可以用人工使巖石獲得反向磁性。上田的實驗雖好，但沒能解決自然界巖石反向磁性問題。布容和松山的樣品火山巖磁性的確倒轉過。于是松山結論地球的磁極在某些歷史時期確曾發生過180度的大倒轉。1953年朗康做了關于巖石磁性測年的報告，在朗康報告之后不到十年的時間里，多數地質學家因找不到另一種解釋方法，他們的想法發生了180度的大轉彎。于是松山“荒誕不經”的臆想竟然成了主流。
我們知道地球磁場起源于地球深處，布容和松山的樣品來源于地殼表面。用地球表面的現象來解釋地球深處的活動未免有些離奇。大陸漂移已成爲主流，其實大陸漂移只是一個表面現象，其本質在于地殼和地幔的整體運動。液體外核把地球分成能相對運動的兩大部分。液體外核的潮汐，使漂浮其上的地殼和地幔向西滯后。導致春分點或冬至點的西移。古希臘天文學家喜帕恰斯在編制恒星的星表時發現恒星的黃經有較顯著的改變，并推算出春分點每100年西移1°喜帕恰斯得出的是；每100年西移1°，而虞喜得出每50年西移1°。這是“地球差異旋轉”的最早發現。但是當時不知道地球是層圈結構只好把“地球差異旋轉”的現象解釋爲“歲差”。 于是利用形狀、重心、重力方向、剛體、非剛體等都不同性質的陀螺來完善其理論。以訛傳訛流傳至今。
歷史上的“地心說”就是利用日月星辰東起西落地球自轉造成的假象，而形成的傳統觀念，進而形成了一個頑固理論計算體系，極不容易推翻！設想一下，如果那時有人造衛星還會有“地心說”泛亂嗎？如果“地球差異旋轉”發現在前，還會有“歲差”嗎？
因地球的傾斜旋轉，造成地殼和地幔與內核差異旋轉的螺旋角度。這樣一來地殼和地幔在內核上南北半球換位【這種運動形式我們命名“殼、幔弦動”】。不同年代的火山巖、沉積巖的感應磁場也就隨著來回反向。布容、松山基范樣品的磁性反常由此而來。我們的結論是；“嵗差”和“地球磁場逆轉”是地學史判斷上的失誤，影響了地球科學的進展。
自由電子旋轉說是否正確還有待于深入研究。請讀者多提寶貴意見!
　  作者：王金甲 王鎭 劉春義等

人對地球所知僅是一點皮毛！人對宇宙的認識更是星星點點。但我相信人類會一代接一代地探索下去。