對地球磁場起源的探索,早在公元1600年前后就已經(jīng)開始了,其主要假說有永磁體說、電流說、壓電效應(yīng)說、發(fā)電機理論等,其中永磁體說被鐵、鈷、鎳的居里點實驗否定,電流說由于電阻問題而被人們放棄,壓電效應(yīng)說由于其實驗值都是在常溫下獲得的,據(jù)此推出的磁場強度微不足道而被人們拋棄,發(fā)電機理論由于不能說明南、北磁極翻轉(zhuǎn)而受到質(zhì)疑.那么,地球的磁場是如何產(chǎn)生的呢?
只有存在運動電荷或電流才能產(chǎn)生磁場,因此,地球磁場應(yīng)該與地球內(nèi)部的帶電結(jié)構(gòu)有關(guān).但是,地球磁場的南北磁極還存在著一種小范圍的低速運動,這種運動表明地球磁場不僅僅是地球內(nèi)部的帶電部分作旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的,在地球內(nèi)部還應(yīng)該存在著一個相對穩(wěn)定的內(nèi)部電流.但地球內(nèi)部為什么會長期穩(wěn)定地帶電、并存在一個相對穩(wěn)定的內(nèi)部電流呢?
據(jù)分析,地球內(nèi)部地核的半徑約為3500公里,溫度在5540℃左右,壓力大約為350萬個大氣壓.在通常情況下,構(gòu)成宏觀物體的每個原子所帶的正電量和負(fù)電量是等值的,這樣,經(jīng)中和后的宏觀物體就不帶電了.但由于地核及地幔下部物質(zhì)受到的壓力作用較大,溫度也較高,一個在常溫低壓狀態(tài)下被公認(rèn)的常識,宏觀物體不能自發(fā)地穩(wěn)定帶電的觀點將不再成立.即在天體內(nèi)部的高壓狀態(tài)下,物質(zhì)都是帶電量不等的離子體,高溫等離子體、低溫等離子體的電量“相等”是不可能的.
磁流體發(fā)電的實驗表明,在上千度以上的溫度狀態(tài)下,物質(zhì)中少量原子中的電子可以克服原子核引力的束縛而變成自由電子,同時原子則因失去電子變成帶正電的離子,這種狀態(tài)稱之為低溫等離子狀態(tài).地核的溫度在5540℃左右,如此高的溫度勢必會使地核中少量原子中的電子克服原子核引力的束縛,變成自由電子,同時原子失去電子變成帶正電的離子,在壓力不是很高的狀態(tài)下,失去電子的原子及克服原子核引力束縛的自由電子通常以等離子狀態(tài)存在,熱運動及原子核的靜電引力作用使自由電子不能長期與失去電子的原子脫離開來.但是,當(dāng)物質(zhì)是在超高壓作用下以密度極大的狀態(tài)存在時,克服原子核引力束縛的電子,將在巨大擠壓力的作用下,飄浮到地核與地幔的交界處,造成克服原子核引力束縛的自由電子與失去電子的原子長期脫離開來,筆者將這種現(xiàn)象稱之為熱壓電效應(yīng).由于地核內(nèi)部的原子總量非常巨大,可以產(chǎn)生大量的被分離電荷.
原子最外層電子的分布幾率,會受到鄰近原子中電子的靜電排斥作用,由于地核中物質(zhì)所受壓力作用較高,物質(zhì)密度較大,受到鄰近原子中電子的靜電排斥作用也相應(yīng)較強,原子的最外層電子會部分地失去圍繞原子核運動的空間,使原子最外層電子的分布向原子外擴張.與常壓狀態(tài)下金屬中可自由運動的自由電子不同,在超高壓壓力作用下失去圍繞原子核運動空間的電子,也不能在地核中其它鄰近原子之間自由運動.由于整個地核的壓力都較高,因此,地核中少量原子最外層電子的分布幾率將一直延伸到壓力較低的地核與地幔交界處甚至地幔中上部.地核中部分以自由電子狀態(tài)存在的電子在壓力作用下,朝壓力較低的地核與地幔交界面附近甚至地幔中上部分布,使宏觀的地核處于帶正電狀態(tài),地核與地幔的交界面附近以及地幔中上部處于帶負(fù)電狀態(tài),即發(fā)生熱壓電效應(yīng).
原子的基態(tài)通常處于較深的負(fù)能級狀態(tài),較弱的壓力作用不能將其激發(fā)或電離,但較強的壓力作用會以一種令原子最外層電子運動空間減少的形式,改變原子最外層電子的分布幾率.由于更低的能態(tài)已經(jīng)被其它電子占據(jù),地核中被激發(fā)或電離的電子將在“浮力”的作用下朝外擴張,并在“浮力”作用與地核中所有失去電子的原子的庫侖作用相平衡的位置,也即在地核與地幔的交界面附近,形成一個覆蓋地核的電子殼層.將地核與電子殼層視為一個巨大的“原子”,地球磁場的產(chǎn)生就與這個巨大 “原子”的存在有關(guān).
天體內(nèi)部的熱壓電效應(yīng)主要是將與原子分離的電子擠壓出天體內(nèi)部的高壓區(qū),如果電子沒有與原子分離,則很難被大量地擠壓出天體內(nèi)部的高壓區(qū).
必須強調(diào),由于電子具有波動性,每個飄浮到地核外部的電子的分布位置并不是固定不變的,而是有一定的范圍,其飄浮的范圍甚至有可能一直延伸到地球表面上來,也就是說,地球的表面有可能帶有負(fù)電荷,在我們的周圍也應(yīng)該存在一個可以測量到的電勢梯度.
美國的科學(xué)家通過實驗觀察發(fā)現(xiàn),地核的自轉(zhuǎn)與地殼和地幔并不同步.地核與地幔之間接觸面積非常巨大,按照“常識”,充滿液態(tài)巖漿的地核與地幔之間接觸面上產(chǎn)生的摩擦力應(yīng)非常巨大,足以使質(zhì)量巨大的地核與地幔之間的相對運動在幾年或幾十年的“瞬間”趨于同步,但地核的旋轉(zhuǎn)運動竟然能在上億年的時間里與地幔不同步,這是為什么呢?