地球的磁场及起源
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
地球的磁场及起源
摘要:本文对地磁场理论的确立,地磁场起源的探索做了回顾,并详细介绍了一种已被大多数人接受的地磁场起源的分析.
正文:
1.地球磁场理论确立
历史上,第一个提出地磁场理论概念的是英国人吉尔伯特。他在1600年提出一种论点,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,数学家高斯在他的著作《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,创立了描绘地磁场的数学方法,从而使地磁场的测量和起源研究都可以用数学理论来表示。但这仅仅是一种形式上的理论,并没有从本质上阐明地磁场的起源。
2.地磁场成因的一种解释
从地球具有的物质结构和运动方式来看,地球完全具备产生整体主磁场的条件,地球不仅能够产生电偶极性,而且地球内部电偶极性物质的运动也必然能够使地球产生和表现出磁场。
地球内部的电偶极性物质是什么呢?一方面,从物质的细微结构来看,物质是由原子构成的,每个原子都是一个内正外负的电偶极性球。另一方面,从地球物质的整体来看,也表现出电偶极性。
就单个的中性原子而言,不管整个原子相对于观测者是运动的还是静止的,只要核外电子的绕核旋转运动都是朝着一个方向,就能够使原子产生相对于观测者的磁场。按照传统观点的分析,对于一般的中性原子,由于核外电子绕核的旋转运动都不是朝着相同的方向,而是杂乱无章的无规则运动,所以单个的原子对外是不显磁性的。在核外电子无规则运动的情况下,不仅单个的原子对外不显磁性,由许多原子构成的质量较大的整个中性物体也不对外显示磁性。但是如果在一定的条件下当每个原子中的全部或者部分的核外电子都按照相同的方向绕核旋转运动时,形成一种环形电流,或者核外电子与原子核相对于观测者的非同步运动形成一种电流,如自转运动的地球在自身万有引力作用下在其内部形成的这种电流运动,就能够对外显示磁性。
与传统分析不同的是,当我们考虑到地心的万有引力作用时,电子绕核旋转表观上的无规则运动遵循着一定的统计规律,这对于我们认识地球物质磁场的起源是非常重要的。
地球物质是由原子组成的,原子是由原子核和位于原子核外的电子组成的。从单个原子的结构特征和运动状态来看,每个原子都是一个内正外负的电偶极子球,带负电的核外电子绕着带正电的原子核旋转。那么地球物质原子中的电子绕核旋转有没有某种规律性呢?按照万有引力起源于电性力的理论角度分析,地球上处于相同位置的电子和质子在相同的地球万有引力(电场力)作用下必然出现位置偏离或者分层现象,由于电子的质量比质子的质量小将会获得更大的加速度朝着地球质心的方向偏移,核外电子虽然在原子核的电场力作用下做
绕核旋转运动,但是电子的绕核旋转轨道并不是一个圆形轨道,而是一个椭圆轨道,从核外电子和原子核(或质子)距离地球质心的平均位置来看,焦点位置的原子核总是位于上方而核外电子总是位于下方,表现出一定的统计规律,电子与质子因为地心万有引力的作用不可能在完全相同的地球轨道绕地球质心做圆周运动。(这里也可以发现,原子的结构特征或稳定性与地球的引力作用密切相关。质子与电子组成的原子结构受到外界的万有引力作用越大,就越容易造成电子与质子的位置偏离,原子的结构也就越不稳定。)在地心万有引力的作用下,地球内部物质原子的结构特征是:核外电子比原子核内的质子总是更接近于地心的方向,原子中的核外电子与原子核在绕地旋转轨道上的角速度相等,电子绕地轨道的线速度小于原子核的线速度。由于相对于地表的观测者来说地球存在着较差自转,愈接近地心的物质旋转愈快,原子中一部分相对自由的电子围绕地球质心产生了一个环形电流,这将会使电偶极性的原子表现出电子的磁场,整个地球将会产生一种微弱的磁场效应。
那么,地球物质原子中的电子绕核旋转的方向又如何呢?电子的绕核旋转是逆向的、顺向的还是杂乱无章的运动呢?因为物质的运动规律受到物质的作用规律支配,看似杂乱无章的电子运动也存在着某种规律性、有序性。从电子绕核旋转的统计规律来看,地球物质原子中的核外电子始终围绕原子核旋转,而原子又在绕地旋转,当处于原子核下面的核外电子受到原子核的电性引力作用向上运动到原子核的地球轨道位置时,由于地球的自转必然出现在原子核之后,而当处于原子核上面的电子从原子核的上方受到原子核的电性引力作用向下回落到原子核的地球轨道位置时,由于地球的自转又必然出现在原子核之前。因此说,核外电子绕核的旋转运动遵循着逆向旋转的统计规律。随着地球的自西向东的逆向自转,地球物质的电子与质子随同整个地球相对于地球质心逆向绕转,而且地球的逆向自转更有利于原子中的电子围绕原子核逆向旋转,逆向旋转的概率大于反向旋转的概率,地球内部物质的电子环绕原子核的运动较多的表现为逆向绕转,与地球自转方向一致,原子产生的磁场与地球整体磁场(主磁场)的方向一致,所有原子磁场的叠加合成就形成了地球的整体磁场,即使地球物质没有做相对观测者的运动,也可以产生相对于观测者的微弱磁场。由此可见,地心万有引力作用于随同地球一起自转运动的中性原子能够使中性原子产生一种相对于观测者的磁场,这也是地球磁场起源的重要原因之一。
上面从具有电偶极性的原子角度出发,分析了地球物质原子产生磁场的两种情况,分析表明,地心的万有引力作用和地球的自转运动这两个条件的同时存在能够使地球内部物质的中性原子产生磁场,许许多多的中性原子磁场的叠加合成是构成地球整体磁场的一个重要原因。而地球产生电偶极性主要有两种原因:一种是在地球内部产生了热压电效应,一种是太阳和地球的万有引力对地球内部质子与电子两种异性电荷产生的分离效应。这两种情况都是使地球内部正负电性粒子产生分离和使地球成为电偶极性的原因。
3.对地磁场起源的探索及现状
虽然现在科学家们已基本掌握了地磁场的分布与变化规律,但是,对于地磁场的起源问题,学术界却一直没有找到一个令人满意的答案。事实上关于地球磁场的起源,众说纷纭.历史上曾有来自北极星的传说,但是到公元17世纪初就已经认识到地球本身就是一个巨大的磁体,不过当时仍不清楚地球磁场是怎样产生的。随着科学的发展,对于地球磁场观测和地球结构的研究不断增多和深入,对地球磁场的起源先后提出了10多种学说。