地磁场的起源

地磁场的起源

2019-08-28 17:39:49  科学智慧火花
本文作者:汪长友

2019-08-28 17:39:49
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地球的周围存在磁场,这个磁场就是地磁场。人们对地磁场起源的研究至今没有取得满意的结果。2011年9月22日笔者提出了地磁场起源于地核中自由电子扩散的观点,并对地磁场作了初步解释【1】。

地球的地核是由铁组成的,有大量的自由电子。地幔是由化合物组成的,没有自由电子。地核和地幔都处在高温高压中,地核中的自由电子大量扩散到地幔中,使地幔带上大量的负电荷,地核带上等量的正电荷。地球自转,其中的正﹑负电荷也跟着运动,分别形成跟地球自转方向相同和方向相反的环形电流。由于负电荷绕地轴转动的半径比正电荷绕地轴转动的半径大,负电荷运动形成的磁场磁矩比正电荷运动形成的磁场磁矩大,合成磁场的方向与负电荷运动形成的磁场方向相同。由安培定则可知,这个磁场的北极在地理南极处,磁场的南极在地理北极处,这与实际地磁场方向大致一致。这个磁场叫偶极子场。偶极子场使地壳中的铁磁化,形成一个附加场,叫非偶极场。偶极子场和非偶极场合成为地磁场,其中偶极子场是主要的。这个磁场会受到太阳风的影响。由于大陆漂移非偶极场改变了位置,出现了磁偏角,成为现在的地磁场。远古时期地球自转比现在快得多,那时的偶极子场比现在的强得多,非偶极场也比现在的强得多。后来地球自转变慢,偶极子场变弱,地壳的剩磁在某些(富含铁的)地面表现出来,这时若在这些地面形成新的地层,新的地层的磁场方向就和原地层的磁场方向相反,出现所谓的反向地层。地球自转变慢会持续下去,偶极子场会持续变弱,整个地磁场也会持续变弱,但却不会出现磁极反转的现象。

有一个看起来和地磁场无关的现象,人们长期以来也没有搞清楚,这就是雷电现象中的起电问题。最近在网上看到雷雨云起电的材料,感到对雷电现象起电的研究有了突破。网上说(雷雨云起电条目下):雷雨云中有冰存在的区域能产生强起电和闪电,但无冰存在的云内偶尔也能产生强起电。观测表明,一般情况下,大气带有正电荷,地面带有负电荷,大气中具有向下的电场。雷雨云中出现强对流,有大量冰雹粒子和冰晶粒子。在有向下的电场时,粒子中的正电荷中心沿电场方向移动,负电荷中心逆着电场方向移动,使粒子下半部带正电荷,上半部带负电荷,即电介质极化。在有强对流的云中,冰雹粒子与冰晶粒子的质量差异大,轻的冰晶粒子在上升气流的作用下向上运动,而重的冰雹粒子克服上升气流向下运动。冰雹粒子和冰晶粒子碰撞接触,冰雹粒子下部的正电荷和冰晶粒子上部的负电荷中和。分离后,冰雹粒子下部失去正电荷而带负电荷,冰晶粒子失去上部的负电荷而带正电荷。通过重力分离,带正电荷的冰晶粒子随上升气流向云的上部运动,带负电荷的冰雹粒子因很重,在重力作用下克服上升气流向云的下部运动,使云的上部和下部分别带上正电和负电。

上面这段话说明了有冰存在的区域的起电过程,整个过程是在有向下的电场下发生的。地面上空为什么会有向下的电场呢?2012年6日笔者谈到这一问题【2】。地磁场中的偶极子场可以看作一个通电螺线管的磁场,这个螺线管的轴线就是地轴。这个螺线管中的电荷的圆周运动是以太阳为参照物观察的结果,所以这个环形电流的磁场相对于太阳是静止的。这就像有绝缘皮的通电螺线管,通入稳恒电流,它的电荷定向移动是以绝缘皮为参照物的,通电螺线管的磁感线相对于绝缘皮是静止的。由于偶极子场的磁感线相对太阳静止,而地球相对太阳在向东转动,(朝太阳一面的地面相对太阳在向东运动)这样地面上的偶极子场的磁感线相对于地面就在飞快地在向西运动。空气中总有一些离子和其他带电粒。在空中取一个竖直的气柱,则这个气柱相对于偶极子场的磁感线就飞快地在向东运动,气柱运动切割偶极子场的磁感线。根据右手定则,气柱中的带电粒子就会定向移动形成向上的电流,其中带正电荷的粒子向上运动到高空,带负电荷的粒子向下运动到达地面,使地面带上净的负电荷,这样地面上就出现了向下的电场。不随地球自转的偶极子场使地面上有了向下的电场,这个电场导致雷雨云中有冰存在的区域中的起电过程。

无冰存在的云内也能产生强起电,这里所说的无冰应该是指无冰雹粒子。夏天和秋天,赤日炎炎,万里无云,没有一丝风,地面被晒得滚烫,水分大量蒸发,地面上生成大量暖湿气体,形成上升的暖湿气流。气流升到高空遇冷,水蒸气凝结成大量的小水珠,有的直接凝华成小冰晶,形成的乌云就是雷雨云。空气中的酸性氧化物溶解到水里,水里就出现了正﹑负离子。由于相对运动的偶极子场的作用,使水珠的上部出现正电荷,下部出现负电荷。这时水珠受到小冰晶撞击发生分裂时,上部会形成带正电荷的小水珠,下部会形成带负电荷的小水珠。这些带电小水珠又形成向上的电流,使正电荷到达雷雨云的上部,负电荷到达雷雨云的下部。这个过程和地面上向下的电场形成的过程相似。这时的偶极子场和雷雨云就构成了一台发电机,雷雨云的上﹑下两侧就是它的正﹑负电极。在雷雨云发展过程中逐渐形成三个带电区域:6公里高的强的带正电的区域,3公里高的带负电的区域,1.5公里高的弱的带正电区域(来自网上)。下面的弱的带正电区域的存在,表明在更低的区域出现了小水珠和小冰晶。上升的暖湿气流形成后,气流中心的气体上升速度最大,往外上升气体的速度逐渐减小。在上升气流中心之外取一个带负电荷的水珠,它受到的洛伦兹力方向向下,再加上它本身的重力作用,它运动的速度比周围空气分子的速度要小很多。这个水珠的内侧(靠近气流中心一侧)分子向上运动的速度比外侧(远离气流中心一侧)分子向上运动的速度大。这样在一定时间内,它的内侧受到空气分子的撞击比外侧受到空气分子的撞击多,并且每次内侧比外侧受到的平均撞击作用更大。这样这个带负电荷的水珠就会向气流外侧运动以至于离开上升气流。这个水珠若在1.5公里高到3公里高处,它离开上升气流后会落到地面形成降雨。水珠落到地面带走了一些负电荷,雷雨云中的负电荷少于正电荷。在1.5公里高到3公里高以上的上升气流中只有带净的正电荷。当雷雨云上﹑下两侧电压达到伏左右时【3】,这台发电机的电动势和两极间的电压相等。但强劲的上升气流仍能把源源不断地送来的带正电荷的小水珠送到雷雨云顶端,使雷雨云两侧电压持续增大。这时的偶极子场、雷雨云和暖湿气流就构成了一台范德格喇夫起电机。1.5公里高到3公里高以上的一段上升气流能不断提供正电荷,它相当于范德格喇夫起电机中的低压电源。整个上升气流成为这台起电机的传送带。风(空气的水平方向移动)会破坏上升气流的结构,使带负电荷的水珠和带正电荷的水珠的分离终止。这让我们容易理解这种剧烈的放电现象之前一定是没有风的。

以上我们从偶极子场出发对雷电现象中的起电过程分两种情况进行了讨论,解开了雷雨云中的起电之谜。在这个过程中我们窥探到了扑朔迷离的偶极子场的踪影。

利用本文的地磁场理论,我们不仅说明了地磁场的历史和现状,指出了地磁场变化的前景,还有力地说明了雷电现象中的起电过程。

地核中的自由电子扩散导致了地磁场。地幔中带的负电荷和地核中带的正电荷随地球自转作圆周运动,形成了偶极子场;偶极子场使地壳中的铁磁化,形成了非偶极场,偶极子场和非偶极场合成为地磁场。大陆漂移改变了磁极的位置,形成了现在的地磁场。

参考文献

【1】再探地磁起源  科学智慧火花  中科院主办  2011年9月2日

【2】地磁场的特点  科学智慧火花  中科院主办  2012年6月12日

【3】揭开雷电现象中的秘密    科学智慧火花  中科院主办  2015年8月4日

责任编辑:无极4

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