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(diǎn)，認(rèn)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(guān)系，指出地磁場的起因不應(yīng)該在地球之外，而應(yīng)在地球內(nèi)部。1893年，數(shù)學(xué)家高斯在他的著作《地磁力的絕對強(qiáng)度》中，從地磁成因于地球內(nèi)部這一假設(shè)出發(fā)，創(chuàng)立了描繪地磁場的數(shù)學(xué)方法，從而使地磁場的測量和起源研究都可以用數(shù)學(xué)理論來表示。但這僅僅是一種形式上的理論，并沒有從本質(zhì)上闡明地磁場的起源。 現(xiàn)在科學(xué)家們已基本掌握了地磁場的分布與變化規(guī)律，但是，對于地磁場的起源問題，學(xué)術(shù)界卻一直沒有找到一個令人滿意的答案。目前，關(guān)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(jì)初就已經(jīng)認(rèn)識到地球本身就是一個巨大的磁體，不過當(dāng)時仍不清楚地球磁場是怎樣產(chǎn)生的。隨著科學(xué)的發(fā)展，對于地球磁場觀測和地球結(jié)構(gòu)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(xué)說。這里按照歷史的先后對一些各有一定根據(jù)或設(shè)想的地球磁場來源學(xué)說作簡單介紹：  
    (1)永磁體學(xué)說，是最早提出的一種學(xué)說，認(rèn)為地球內(nèi)部存在巨大的永磁體，由這永磁體產(chǎn)生地球磁場，但后來認(rèn)識到地球內(nèi)部溫度很高，不可能存在永磁體。  
    (2)內(nèi)部電流學(xué)說，認(rèn)為地球內(nèi)部存在巨大的電流，形成巨大電磁體產(chǎn)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(zhuǎn)學(xué)說(公元1900年)，認(rèn)為地球表面和內(nèi)部分別分布著符號相反、數(shù)量相等的電荷，由地球自轉(zhuǎn)而形成閉合電流，由此電流產(chǎn)生磁場，但這學(xué)說缺乏理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。  
    (4)壓電效應(yīng)學(xué)說(1929)，認(rèn)為在地球內(nèi)部物質(zhì)在超高壓力下使物質(zhì)中的電荷分離，電子在這樣的電場中運(yùn)動而產(chǎn)生電流和磁場。但理論計(jì)算出這樣的磁場僅有地磁場的約千分之一。  
    (5)旋磁效應(yīng)學(xué)說(1933)，認(rèn)為地球內(nèi)的強(qiáng)磁物質(zhì)旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生地球磁場，但這種旋磁效應(yīng)產(chǎn)生的磁場只有地球磁場的大約千億分之一。  
    (6)溫差電效應(yīng)學(xué)說(1939)，認(rèn)為地球內(nèi)部的放射性物質(zhì)產(chǎn)生的熱量，使熔融物質(zhì)發(fā)生連續(xù)的不均勻?qū)α鳎@樣產(chǎn)生溫差電動勢和電流，由此電流產(chǎn)生地球磁場，但理論估計(jì)也同地球磁場不符合。  
    (7)發(fā)電機(jī)學(xué)說(1946－1947)，認(rèn)為是地球內(nèi)部的導(dǎo)電液體在流動時產(chǎn)生穩(wěn)恒的電流，由這電流產(chǎn)生地球磁場。  
    (8)旋轉(zhuǎn)體效應(yīng)學(xué)說(1947)，是根據(jù)少數(shù)天體觀測得到的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，認(rèn)為具有角動量的旋轉(zhuǎn)物體都會產(chǎn)生磁矩，因而產(chǎn)生磁場。這一學(xué)說需要使用一無科學(xué)根據(jù)的常數(shù)，5年后又被提出這一學(xué)說的科學(xué)家根據(jù)精密的實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以否定了。  
    (9)磁力線扭結(jié)學(xué)說(1950)，認(rèn)為在地球磁場磁力線的張力特性和地核的較差自轉(zhuǎn)，會使原始微弱的地球磁場放大，由此產(chǎn)生地球磁場。  
    (10)霍爾效應(yīng)學(xué)說(1954)，認(rèn)為在地球內(nèi)部由于溫度不均勻產(chǎn)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(yīng)產(chǎn)生霍爾電動勢和霍爾電流，由此產(chǎn)生地球磁場。  
    (11)電磁感應(yīng)學(xué)說(1956)，認(rèn)為由太陽的強(qiáng)烈磁活動通過帶電粒子的太陽風(fēng)到達(dá)地球后，會通過地球內(nèi)部的電磁感應(yīng)和整流作用產(chǎn)生地球內(nèi)部的電流，由此產(chǎn)生地球磁場。在這些學(xué)說中，只有發(fā)電機(jī)學(xué)說(又稱磁流體發(fā)電機(jī)學(xué)說)在觀 測、實(shí)驗(yàn)和理論研究上得到較多的證認(rèn)，是目前研究和應(yīng)用較多的地球磁場學(xué)說。  
    (12)自由電子旋轉(zhuǎn)說（2006），是唯一由中國人王金甲先生，根據(jù)分子、原子學(xué)，結(jié)合地震波提供的地球深處高清圖像提出的嶄新學(xué)說。
地震產(chǎn)生的內(nèi)部深層波動往往會在地核和地幔的介面上產(chǎn)生反射，反射波在傳遞到地表的過程中，如果碰到地下構(gòu)造，就會發(fā)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(xué)系(EAPS)教授RobvanderHilst領(lǐng)導(dǎo)的地球?qū)W家和礦物學(xué)家組成的跨學(xué)科小組得到了中北美洲高清晰度深層地球結(jié)構(gòu)圖，從結(jié)構(gòu)圖看地球外核是液態(tài)。
1996年7月24日第7版有一則報道：美國哥倫比亞大學(xué)地震學(xué)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(tài)鐵質(zhì)內(nèi)核，發(fā)現(xiàn)它的旋轉(zhuǎn)速度比地球本身旋轉(zhuǎn)速度快，內(nèi)核跟地球朝同一方向旋轉(zhuǎn)，內(nèi)核赤道每年比位于赤道的地殼多旋轉(zhuǎn)19.31公里，內(nèi)核在地球完成相對轉(zhuǎn)動一周需要大約400年。這一發(fā)現(xiàn)一經(jīng)公布，立即在全世界引起了轟動。科學(xué)家們稱這一發(fā)現(xiàn)為令人震驚的重大發(fā)現(xiàn)，具有劃時代的意義。因?yàn)樵诖酥埃藗兤毡槿藶榈睾宿D(zhuǎn)速最慢。
美國哥倫比亞大學(xué)的宋曉東博士是在1994年于加利福尼亞理工學(xué)院獲得博士學(xué)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(xué)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(xiàn)場和1967年到1995年期間重大核試驗(yàn)現(xiàn)場發(fā)出的地震波測到的數(shù)據(jù)，觀察地球內(nèi)核，其方法就像醫(yī)生利用超聲波觀察孕婦肚子里活動的胎兒一樣。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)地球固態(tài)內(nèi)核在高速自轉(zhuǎn)。在發(fā)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(xué)學(xué)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(xué)家跟蹤地震波，終于有了這一驚人的突破，標(biāo)志著一個全新領(lǐng)域的開端。
我們知道物質(zhì)是由分子原子組成的，原子由原子核和電子組成（見原子結(jié)構(gòu)圖）。  
火山爆發(fā)使我們知道地球內(nèi)部是一個高溫世界。19世紀(jì)末，著名物理家居里在自己的實(shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)磁石的一個物理特性，就是當(dāng)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(diǎn)”。按照“居里點(diǎn)”的的結(jié)論地球內(nèi)部不能有一個永磁體。  
    按照物理學(xué)研究的結(jié)果，高溫、高壓中的物質(zhì)，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(huán)境中會有大量的電子逃逸出來，在內(nèi)核與地幔間會形成一個汽液態(tài)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(jié)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(diǎn)，就是一個交流電磁場，變壓器就是利用交變磁場來實(shí)現(xiàn)變壓的。），這個磁場就是電子在線圈中移動的結(jié)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(nèi)部的高溫、高壓，使地球內(nèi)核物質(zhì)逸出電子而強(qiáng)金屬化，不易流動，呈固體狀態(tài)。地球內(nèi)核逸出的大量電子集中在相對內(nèi)核壓力較小、溫度較低的液體外核球?qū)印Ｍ夂饲驅(qū)佑捎诘玫酱罅孔杂呻娮佣史墙饘贍畹钠簯B(tài)。大量的自由電子隨地球自轉(zhuǎn)，象電子在“螺線管”運(yùn)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(zhuǎn)而在宇宙空間建立了一個強(qiáng)大的地球磁場。  
地球自轉(zhuǎn)，使液體外核呈現(xiàn)一個扁球體，地球傾斜自轉(zhuǎn)也可以認(rèn)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(nèi)核自轉(zhuǎn)控制，又受天體傾斜引力拖拽，使其自轉(zhuǎn)慣性改變方向，進(jìn)而導(dǎo)致磁極既不與地球自轉(zhuǎn)軸重合又不與黃道面垂直，處于兩者兼顧狀態(tài)，事實(shí)也正是如此。“自由電子旋轉(zhuǎn)”說的誕生，給“地球磁場逆轉(zhuǎn)”帶來極大沖擊。首先我們了解所謂“地球磁場逆轉(zhuǎn)”一說的起源。
關(guān)于地球磁場逆轉(zhuǎn)，我們的前人既沒有記載，也沒有人經(jīng)歷。原來是法國地球物理學(xué)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(qū)位于羅亞爾（Loire）南部高原。大多數(shù)樣品的磁性與預(yù)測結(jié)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(xiàn)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(jìn)行了類似的測量，他發(fā)現(xiàn)了反向的天然余磁。異常磁性都出現(xiàn)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(xiàn)代地磁場一致。他突發(fā)奇想，大膽提出地球的磁極曾經(jīng)倒轉(zhuǎn)過。沒有多少科學(xué)家相信松山的解釋，許靖華等大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為地磁極曾經(jīng)發(fā)生倒轉(zhuǎn)的想法太異想天開，連他的同胞上田也不例外。上田當(dāng)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(zhuǎn)這一毋庸?fàn)庌q的事實(shí)找出一種較可信的解釋。根據(jù)他的實(shí)驗(yàn)研究，上田提出了一種自倒轉(zhuǎn)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)過。于是松山結(jié)論地球的磁極在某些歷史時期確曾發(fā)生過180度的大倒轉(zhuǎn)。1953年朗康做了關(guān)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(shù)地質(zhì)學(xué)家因找不到另一種解釋方法，他們的想法發(fā)生了180度的大轉(zhuǎn)彎。于是松山“荒誕不經(jīng)”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(xiàn)象來解釋地球深處的活動未免有些離奇。大陸漂移已成爲(wèi)主流，其實(shí)大陸漂移只是一個表面現(xiàn)象，其本質(zhì)在于地殼和地幔的整體運(yùn)動。液體外核把地球分成能相對運(yùn)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(dǎo)致春分點(diǎn)或冬至點(diǎn)的西移。古希臘天文學(xué)家喜帕恰斯在編制恒星的星表時發(fā)現(xiàn)恒星的黃經(jīng)有較顯著的改變，并推算出春分點(diǎn)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(zhuǎn)”的最早發(fā)現(xiàn)。但是當(dāng)時不知道地球是層圈結(jié)構(gòu)只好把“地球差異旋轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象解釋爲(wèi)“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(zhì)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(zhuǎn)造成的假象，而形成的傳統(tǒng)觀念，進(jìn)而形成了一個頑固理論計(jì)算體系，極不容易推翻！設(shè)想一下，如果那時有人造衛(wèi)星還會有“地心說”泛亂嗎？如果“地球差異旋轉(zhuǎn)”發(fā)現(xiàn)在前，還會有“歲差”嗎？
因地球的傾斜旋轉(zhuǎn)，造成地殼和地幔與內(nèi)核差異旋轉(zhuǎn)的螺旋角度。這樣一來地殼和地幔在內(nèi)核上南北半球換位【這種運(yùn)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(yīng)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(jié)論是；“嵗差”和“地球磁場逆轉(zhuǎn)”是地學(xué)史判斷上的失誤，影響了地球科學(xué)的進(jìn)展。
自由電子旋轉(zhuǎn)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(diǎn)皮毛！人對宇宙的認(rèn)識更是星星點(diǎn)點(diǎn)。但我相信人類會一代接一代地探索下去。