地磁場成因及其倒轉(zhuǎn)

地磁場成因及其倒轉(zhuǎn)之迷（8）大氣的電場引起地殼、地幔和地核帶不同的電荷，由于地球的旋轉(zhuǎn)運動它們都會產(chǎn)生磁場，不過大氣、地殼、地幔和地外核所產(chǎn)生的磁場是非常微弱的，只有超高壓下呈固態(tài)地內(nèi)核的鐵、鎳合金由于磁疇的重新建立，使地內(nèi)核恢復(fù)了常溫下的高磁導(dǎo)率，從而大大地增強(qiáng)了地內(nèi)核的磁感應(yīng)強(qiáng)度。地磁場的倒轉(zhuǎn)是大氣電場與地核電場變化引起的，大氣電場的變化是氣候的變化引的。關(guān)鍵詞：大氣電場；地磁場；地磁場倒轉(zhuǎn)；行星磁場；生命爆發(fā)；冰河時期1．引 言公元前幾百年中國人就發(fā)現(xiàn)了地磁場的存在，它給旅行、行軍、航海等帶來了很大的幫助。自然人們對地磁場的成因進(jìn)行了長期的探索，產(chǎn)生了許多解釋地磁場成因的學(xué)說，目前一般公認(rèn)的是“自激發(fā)電機(jī)”學(xué)說，“自激發(fā)電機(jī)”學(xué)說用地核比地殼和地幔轉(zhuǎn)得快，去解釋地磁場的起源，但這種解釋同樣存在錯誤。雖然潮汐會使地殼與地幔自轉(zhuǎn)變慢，地核放射性物質(zhì)衰變產(chǎn)生的輕物質(zhì)（主要為氦）上升也能使地殼與地幔自轉(zhuǎn)變慢，疊加后的速度差，使地核比地幔和地殼三百年才多轉(zhuǎn)一周［1］。但通過計算就會發(fā)現(xiàn)這個速度差根本不可能激發(fā)出現(xiàn)在的地磁場，因此用“自激發(fā)電機(jī)”去解釋地磁場的形成是不符合實際的。2．1地磁場的成因大氣電場是產(chǎn)生地磁場的初始條件，因此要先根據(jù)大氣的場強(qiáng)算出地殼所帶的電量。現(xiàn)在大氣

的平均場強(qiáng)在130v／m左右［2］，若大氣電場按E=100V/m計算，地球表面單位面積上所帶的電荷應(yīng)為：a=￡E=—8.85X10-12X100~—lX10-9C/m2,0由此可推算整個地殼帶的負(fù)電荷約為：Q=4nR202—5X105C。E因為地殼及地幔的導(dǎo)電性相對地核來說要差得多，因此受電場的排斥作用，負(fù)電荷應(yīng)分布在上千公里厚的地殼及地幔內(nèi)（實際測量也說明地殼場強(qiáng)很小），不可能集中在地表面，那么主要由鐵、鎳組成的良導(dǎo)體地內(nèi)、外核就能感應(yīng)出正電荷。假設(shè)地核所帶的正電荷數(shù)量占地殼與地幔負(fù)電荷數(shù)量的50％，按體積計算地內(nèi)核占總核2.5％（內(nèi)核半徑為1278km，外核半徑為4378km，見圖1）,則內(nèi)核可分到的正電荷量為：Q=5x105x50%x2.5%=6.25x103C。

圖1地球內(nèi)部結(jié)圖本圖片來于網(wǎng)址：圖1地球內(nèi)部結(jié)圖本圖片來于網(wǎng)址：/earthmoon/earth.html地球的外核主要成分以鐵、鎳為主，但地核溫度超過4000°C以上，已大大超過鐵的居里溫度770C。超高溫破壞了鐵、鎳的晶格結(jié)構(gòu)，同時破壞了磁疇結(jié)構(gòu)，變?yōu)橐簯B(tài)的鐵、鎳就變?yōu)轫槾判晕镔|(zhì)，磁導(dǎo)率已變得同大氣磁導(dǎo)率相差無幾，即便地外核帶很多的正電荷，也很難產(chǎn)生強(qiáng)的磁場。地球的內(nèi)核主要成分也以鐵、鎳為主，可以肯定內(nèi)核溫度比外核溫度還要高，但是超高壓下內(nèi)核已變?yōu)楣虘B(tài)，這說明地內(nèi)核在超高壓（壓力可達(dá)300—360萬個大氣壓）下有可能發(fā)生相變，恢復(fù)了合金的晶格結(jié)構(gòu)，鐵、鎳合金應(yīng)當(dāng)重新建立起磁疇結(jié)構(gòu)，地內(nèi)核的鐵、鎳合金也就能重新恢復(fù)高磁導(dǎo)率。當(dāng)然超高壓下的鐵、鎳合金居里點已大大提高，不再是770C。常溫下鐵、鎳合金的相對磁導(dǎo)率|J丫在1000至上萬囚，因此地內(nèi)核的鐵、鎳合金只要具有常溫下差不多的磁導(dǎo)率，即使地內(nèi)核所帶的正電荷比地外核小很多，它所產(chǎn)生的地磁感應(yīng)強(qiáng)度也很可觀。地球的自轉(zhuǎn)周期t=24x3600=8.64x104秒；前面已算出內(nèi)核可分到的正電荷量為6.25x103（庫）真空磁導(dǎo)率p0=1.257x1O-6牛/安2；如果假設(shè)地內(nèi)核鐵、鎳的相對磁導(dǎo)率“丫=2000。根據(jù)公式B=p0》yI可粗略算出地心處的磁場：B=ppI=1.257x10-6x2000x6.25x103/8.64x104=1.818x10-3（T）。L0產(chǎn)Y實驗測定兩磁極地表面處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：（6?7）x10-5（T）；磁切道處為：（3?4）x10-5（T）［肌因為缺少正確的實驗依據(jù)，地磁場量也只能這樣粗略估算，不過它能告訴我們地磁場是如何產(chǎn)生的。正確的計算需要測定5000C左右，300—360萬個大氣壓下鐵、鎳合金磁導(dǎo)率才行。近代地磁場的減弱（地磁場從1830年至今已減弱了近10%）主要是人為原因造成的，人類的工業(yè)化，生產(chǎn)出越來越多的金屬材料使用在建筑、輪船、武器、架空導(dǎo)線等工程設(shè)施上，而金屬材料是良導(dǎo)體，它能將大氣的正電荷大量引入地殼，使大氣正電場降低，地核正電場變?nèi)?，地?nèi)核磁場

也就一起跟著減弱。不過用不著擔(dān)心磁場會倒過來，因為地磁場倒轉(zhuǎn)與后面所說的氣溫有關(guān)。地磁偏角主要是由大陸與海洋不均勻分布引起的，因為通常情況下海洋上空大氣電場偏高，陸地上空大氣電場偏低，相應(yīng)引起地核電場與自轉(zhuǎn)軸的不對稱分布，地磁場也就有了磁偏角，地磁軸線也偏離地核心，向印度洋與太平洋方向靠近。地磁極的漂移，主要是由大陸與大洋的氣溫變化引起的，同工業(yè)化也有一定關(guān)系。因此地磁場的產(chǎn)生只要已變?yōu)楣虘B(tài)的高磁導(dǎo)率地內(nèi)核帶上電場，加上地球的旋轉(zhuǎn)運動就可以（見圖2），不需要流動的電荷，流動的電荷還需要電源，在地球的內(nèi)部是找不到這個電源的。2．2大氣電場的成因那么上面所說的大氣電場是如何形成的？宇宙射線（大部分來自于太陽，主要成份為質(zhì)子和電子，大部分被地球高空的兩個范艾倫輻射帶吸收，還有一部分進(jìn)入了地球的大氣層）是產(chǎn)生大氣電場的初始條件；大氣的成分與氣溫是產(chǎn)生大氣電場的第二個條件。干潔大氣主要成分（容積百分比）為：N2（78.09%）、O2（20.94%）、其次為：Ar（0.93%）、CO2（0.032%）、H2O等［4］。其中水汽在大氣中變化很大，一般在1%?3%,在熱帶可達(dá)4%,而在兩極則不到0.1%。水汽絕大部分集中在低層，有一半的水汽集中在2公里以下。大氣中的N2、Ar分子與宇宙射線中的質(zhì)子與電子都很難結(jié)合在一起，它們都呈電、磁惰性。O2分子兩端有帶磁性的空軌道，它能靠磁場力吸引電子形成O2-離子，只是磁場引力相對電場力要弱得多，所以O(shè)2-離子的穩(wěn)定性比較低。H2O是極性分子，它沒有空軌道，所以它不能接受電子，H2O分子的帶負(fù)電一端能吸引質(zhì)子形成H3O+離子，因為電場引力相對磁場引力要強(qiáng)得多，所以h30+離子的穩(wěn)定性要比O2-離子高得多。O2分子雖然能吸引電子，但穩(wěn)定性比較低，H2O分子能吸收宇宙線中的質(zhì)子而帶正電?，F(xiàn)在地球處在溫暖期，大氣底層的水汽含量比較高，這就是現(xiàn)在大氣電場為什么總是帶正電的道理！2．3地磁場的倒轉(zhuǎn)那古地磁場是如何倒轉(zhuǎn)的？是古代大氣電場變化引起的，古代大氣電場是由氣溫變化引起的。

從表1可看出，氣溫變化會引起飽和大氣水汽含量很大的變化。氣溫升高大氣里水汽含量就增高，h3o+離子也跟著增加，o2-離子穩(wěn)定性降低，含量也降低，大氣正電荷超過負(fù)電荷，大氣就帶正電；氣溫下降，大氣水汽含量就下降，h3o+也跟著下降，而O2-穩(wěn)定性增強(qiáng)，O2-含量也就增高，大氣負(fù)電荷超過正電荷，大氣就帶負(fù)電場。表1溫度與濕飽和大氣含水量的關(guān)系表溫度C2018161412水汽mm溫度C2018161412水汽mm5244363025溫度C1086「42水汽mm2118151210溫度C0-2-4-6-8水汽mm1875□本表來自于：http;///N/?cid=14&nid=527&fc=nd，張學(xué)文。因為古代氣溫經(jīng)常發(fā)生冰期與溫暖期的長期不規(guī)則變化，引起大氣電場、地核電場也發(fā)生不規(guī)則變化，這就是古地磁場經(jīng)常發(fā)生長期不規(guī)則倒轉(zhuǎn)的原因。而古地磁場應(yīng)當(dāng)比現(xiàn)在強(qiáng)，因為遠(yuǎn)古地球自轉(zhuǎn)比現(xiàn)在快。一般認(rèn)為地磁場的變化會引起氣候的變化，實際上是氣溫的變化引起大氣電場的變化，大氣電場的變化引起了地磁場的倒轉(zhuǎn)。2．4古代全球氣溫的變化那么古代地球的氣溫變化是什么原因引起的？因為古代氣溫經(jīng)常發(fā)生冰期與溫暖期的長期不規(guī)則變化，引起大氣電場、地核電場也發(fā)生不規(guī)則變化，這就是古地磁場經(jīng)常發(fā)生長期不規(guī)則倒轉(zhuǎn)的原因。而古地磁場應(yīng)當(dāng)比現(xiàn)在強(qiáng)，因為遠(yuǎn)古地球自轉(zhuǎn)比現(xiàn)在快。一般認(rèn)為地磁場的變化會引起氣候的變化，實際上是氣溫的變化引起大氣電場的變化，大氣電場的變化引起了地磁場的倒轉(zhuǎn)。2．4古代全球氣溫的變化那么古代地球的氣溫變化是什么原因引起的？圖3地球冰川期電場分布與反相地磁場的模擬圖超高壓下的固態(tài)鐵.謀已恢復(fù)了磁疇結(jié)構(gòu)1、令\6一14田'。廠2.3億年前的二疊紀(jì)是地殼運動較強(qiáng)烈的一個紀(jì)（地殼運動的能量主要來源于地球內(nèi)部放射性物質(zhì)的釋放），當(dāng)時全球性的火山爆發(fā)可能是天體的強(qiáng)力碰撞觸發(fā)的?；鹕奖l(fā)噴發(fā)出大量的二氧化碳、二氧化硫及其它有毒氣體，全球性的火山噴發(fā)還會引起大規(guī)模的植物燃燒，產(chǎn)生更多的二氧化碳及有毒氣體，使全球的氣溫升高（當(dāng)然全球性的火山噴發(fā)對氣溫的直接升高也有很大的貢獻(xiàn)），空氣變得濕潤，大氣就帶正電，地磁場的極

性就同現(xiàn)在的相同（從圖4可看出）。氣溫升高全球藻類等植物就能快速地生長，經(jīng)過漫長的歲月，溫室氣體二氧化碳的含量就慢慢降低，氣溫就下降，同時加快了大氣中同樣具有溫室效應(yīng)水汽含量的降低，引起地球加快進(jìn)入冰河時期，同時引起動、植物為了適應(yīng)氣候的變化而更新?lián)Q代。在溫暖期與冰期的過度時期，大氣電場、地磁場會反復(fù)消失（二疊紀(jì)與三疊紀(jì)的過度時期特征與此相似），地球高空的二個范艾倫輻射帶也跟著反復(fù)消失，大量的宇宙射線就能長驅(qū)直入進(jìn)入大氣層，因為大氣的阻擋，帶電離子進(jìn)入地面前大部分都已結(jié)合成分子，這對剩下的動物與植物雖有影響但不是毀滅性的，相反適量宇宙射線的輻射作用引起生物基因突變，新的物種就會大量產(chǎn)生。而恐龍的產(chǎn)生是在不太長的時期受宇宙射線反復(fù)的幅射，引起基因多次突變的結(jié)果，加上當(dāng)時有充足的食物。因此遠(yuǎn)古時代的生命爆發(fā)，主要發(fā)生在溫暖期與冰期的反復(fù)過度時期。當(dāng)然地區(qū)性的火山爆發(fā)、森林火災(zāi)，地球周期性的穿越銀河旋臂，使天體碰撞幾率增加，都會引起溫室氣體含量的變化，以及氣溫的直接變化。因此古代地球的氣溫變化不是完全有規(guī)則的，地磁場的倒轉(zhuǎn)也就不是完全有規(guī)則的。不過可以肯定的是，遠(yuǎn)古時代如果地磁場與現(xiàn)在相反的話，十有八、九就處在寒冷的冰河時期。2．5其它行星上的磁場以上的說法對其它行星也是適用的。比方對于金星，由于金星大氣溫度很高，它的大氣里就會有極性分子（探測斯威勒駕忻乩克腥社那尿第三紀(jì)多次突變的結(jié)果，加上當(dāng)時有充足的食物。因此遠(yuǎn)古時代的生命爆發(fā)，主要發(fā)生在溫暖期與冰期的反復(fù)過度時期。當(dāng)然地區(qū)性的火山爆發(fā)、森林火災(zāi)，地球周期性的穿越銀河旋臂，使天體碰撞幾率增加，都會引起溫室氣體含量的變化，以及氣溫的直接變化。因此古代地球的氣溫變化不是完全有規(guī)則的，地磁場的倒轉(zhuǎn)也就不是完全有規(guī)則的。不過可以肯定的是，遠(yuǎn)古時代如果地磁場與現(xiàn)在相反的話，十有八、九就處在寒冷的冰河時期。2．5其它行星上的磁場以上的說法對其它行星也是適用的。比方對于金星，由于金星大氣溫度很高，它的大氣里就會有極性分子（探測斯威勒駕忻乩克腥社那尿第三紀(jì)中新lit新浙世始砥吐-C新世拉尚奧那咸留尼眾=!_==言==■===■上新世黒色區(qū)域曲與現(xiàn)代同極性磁場，白色區(qū)域?qū)澟c現(xiàn)代反極性厳場本閣片來自于；中國百科網(wǎng)古地逾學(xué)ht切Ly//article/316/32772007/2007022260441_3.html到的是so2,H2O分子），大氣就會帶正電，金星地殼就會帶負(fù)電場，地核就會感應(yīng)出正電，但金星的磁場為什么幾乎為零？這是因為金星的自轉(zhuǎn)一周比它的公轉(zhuǎn)周期還長，為地球的243天，自轉(zhuǎn)周期需要這么長的時間，金星內(nèi)核就算有磁導(dǎo)率很高的磁介質(zhì)，帶上很多的電荷，也很難產(chǎn)生比較明顯的磁場。而火星正好相反自轉(zhuǎn)周期與地球差不多，而大氣幾乎沒有，它的大氣電場自然就非常弱，因此火星的磁場也是非常弱的。再看木星，木星的表面氣溫很低，帶極性的H2O、nh3等分子都變成了固體，大氣里主要為H2、He、N2、O2等無極性的分子，雖然H2與O2為結(jié)合為H2O,但O2比H2密度大得多，所以在木星底層大氣還是存在一定量的O2,因此木星的大氣肯定是帶負(fù)電場的。木星的底層大氣帶負(fù)電場，地殼就帶正電場，內(nèi)核就帶負(fù)電場；巨大軀體的核內(nèi)壓力大大超過地核，木星固態(tài)內(nèi)核的高磁導(dǎo)率鐵、鎳合金體積也應(yīng)該超過地核；木星自轉(zhuǎn)周期只有9小時50分鐘，與地球的自轉(zhuǎn)方向相同。這就是為什么木星的磁場比地球的磁場幾乎大十倍！而磁場極性卻相反的原因！3．結(jié)論與可能的檢驗方法因此地球磁場是由大氣電場，引起地殼、地幔帶不同的電場，與地核帶相同的電場，加上地球的自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，當(dāng)然主要還是超高壓下的固態(tài)內(nèi)核鐵、鎳合金恢復(fù)了磁疇結(jié)構(gòu)，大大加強(qiáng)了地核磁感應(yīng)強(qiáng)度。古地磁場的倒轉(zhuǎn)是由大氣電場的變化引起的，大氣電場的變化是由大氣成份變化引起的，大氣成份的變化是由氣溫變化引起的。而古代氣溫變化是由天體碰撞、火山爆發(fā)、森林火災(zāi)、植物生長、冰川形成等不規(guī)則原因引起的。地磁場成因檢驗，只要測定5000r左右，300—360萬個大氣壓下鐵、鎳合金的磁導(dǎo)率，就可以初步確定地磁的成因。當(dāng)然在這么高的溫度下，達(dá)到如此之高的壓力，難度之大是可想而