對地球磁場起源的探索,早在公元1600年前后就已經開始了,其主要假說有永磁體說、電流說、壓電效應說、溫差電效應說、發(fā)電機理論等,其中永磁體說被實驗否定,電流說由于電阻問題而被人們放棄,壓電效應說由于現(xiàn)實中的壓電效應本身沒有涉及溫度的影響,其實驗值都是在常溫下獲得的,據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而受到質疑.那么,地球的磁場是如何產生的呢?
只有存在運動電荷或電流才能產生磁場,因此,地球磁場應該與地球內部的帶電結構有關.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部的帶電部分作旋轉運動產生的,在地球內部還應該存在著一個相對穩(wěn)定的內部電流.那么,地球內部為什么會長期穩(wěn)定地帶電、并存在一個相對穩(wěn)定的內部電流呢?
據分析,地球內部地幔的半徑約為2900公里,溫度大約在1500～3000℃之間,壓力為50萬～150萬個大氣壓,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,構成宏觀物體的每個原子所帶的正電量和負電量是等值的,這樣,經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受到的壓力作用較大,溫度也較高,筆者認為,一個在常溫低壓狀態(tài)下被公認的常識,宏觀物體不能自發(fā)地穩(wěn)定帶電的觀點將不再成立,即在天體內部的高壓狀態(tài)下,物質都是帶電量不等的離子體,高溫等離子體、低溫等離子體的“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的電子克服原子核引力的束縛,變成自由電子,同時令構成地核的少量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,原子核的引力作用及熱運動使自由電子不能長期與失去電子的原子脫離開來.但是,當物質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,將在地核壓力產生的巨大擠壓力作用下,趨于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.由于地核內部的原子總量非常巨大,可以產生大量的被分離電荷.
原子最外層電子云的分布幾率,會受到鄰近原子中電子的靜電排斥作用,由于地核中物質所受壓力作用較高,物質密度較大,受到鄰近原子中電子的靜電排斥作用也相應較強,原子的最外層電子云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云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,趨于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電狀態(tài),即發(fā)生熱壓電效應.
原子的基態(tài)通常處于較深的負能級狀態(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云運動空間減少的形式,改變原子最外層電子云的分布幾率.由于更低的能態(tài)已經被其它電子占據,原子最外層電子云只能朝外擴張,使原子最外層電子云的分布幾率可以延伸到地核與地幔的交界處甚至地幔中上部,并在地核與地幔的交界處外部形成一個電子殼層.
天體內部的熱壓電效應主要是將與原子分離的電子擠壓出天體內部的高壓區(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部的高壓區(qū).
將地核視為一個巨大的帶正電荷的原子核,將地核與地幔的交界處外部覆蓋整個地核的帶負電荷的電子殼層視為一個巨大的帶負電荷的電子氣海洋,地核所帶的正電量和地核周圍電子殼層所帶的負電量是等值的,這樣,經中和后的宏觀地球外表就不帶電了.電子氣的比重極小,在超高壓與高溫共同作用產生的強大浮力作用下,地核中以離子狀態(tài)存在的電子克服原子核的庫侖作用,趨于飄浮到地核外部,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”,地球磁場的產生就與這個巨大 “原子”的存在有關.
必須強調,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電荷,在我們的周圍也應該存在一個可以測量到的電勢梯度,但不知為何沒有被測量到.
由于電子氣海洋的存在,產生了地核與地幔的交界面層.美國的科學家通過實驗觀察發(fā)現(xiàn),地核的自轉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生的摩擦力應非常巨大,足以使質量巨大的地核與地幔之間的相對運動在幾小時或幾分鐘的“瞬間”趨于同步,并將其相對運動所具有的動能轉化為熱能和沖擊波,同時在地球內部產生巨大的震動,由于地殼的厚度只有微不足道的幾十公里,地核與地幔所具有的動能足以沖破地殼,產生直沖大氣層的巖漿巨浪,可地核的旋轉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?
眾所周知,當原子相互作用形成離子或分子時,有獲得特殊穩(wěn)定構型的傾向,其中最重要的是惰性氣體結構.在通常情況下,非惰性氣體結構的元素只能以原子結合成分子來形成惰性氣體結構,但在大量電子以自由狀態(tài)存在的電子殼層中,原子會趨于直接與電子結合成具有惰性氣體結構的帶電粒子,以使系統(tǒng)處于相對較低能量狀態(tài).原子直接與以自由狀態(tài)存在的電子結合成具有惰性氣體結構的帶電粒子,造成電子殼層中大量原子處于特殊穩(wěn)定構型的負離子狀態(tài).電子殼層中大量電子的靜電屏蔽作用,還能令電子殼層中原子之間失去相互作用,不能相互結合生成分子.
根據量子力學理論,存在于具有惰性氣體結構原子軌道上的電子的排列不是任意的,電子將趨于由自旋平行且反向的自由電子雙雙組成電子對.具有惰性氣體結構的金屬陰離子物質在常溫常壓下是不存在的,但由于地核與地幔交界面上電子殼層的存在,令地核與地幔接觸面上充滿了具有惰性氣體結構的鐵、鎳等負離子物質.帶有電子的鐵、鎳等元素的性質非常特殊,由于元素之間沒有相互作用,相對運動時產生的摩擦力作用極小,具有惰性氣體結構的鐵、鎳等負離子物質就如同是具有超流動性的液氦.在地核與地幔的接觸面上充滿了具有超流動性潤滑劑的狀態(tài)下,地核的旋轉運動即使與地幔不同步,地核與地幔在“接觸面”上產生的摩擦力也是微不足道的.由于具有惰性氣體結構的負離子物質具有超流動性,使電子殼層底部的物質不隨地幔或地核作同步旋轉運動.
有證據表明,地殼及地幔的旋轉速度在多種因素影響下會發(fā)生變化,但影響地殼及地幔旋轉速度的各種因素,有些對地核的旋轉運動并不產生同樣影響.此外,由于太陽和月亮的引力作用,以及地核內部的鐵核、鈷核中的穩(wěn)定同質異能素在高溫高壓作用下發(fā)生同質異能素轉化核反應時釋放核能的不均勻性,造成覆蓋地核表面的電子殼層不同區(qū)域存在較大溫差,使電子殼層底部的負離子物質發(fā)生大規(guī)模定向運動,盡管巨大的負離子物質風暴的摩擦力對地核與地幔都微不足道,但由于電子氣海洋中的鐵、鎳等金屬負離子物質風暴,造成地核與地幔都不斷地有大量物質與電子殼層底部中物質進行交換,并給地核與地幔的旋轉運動帶來不同影響,經過幾十億年的漫長歲月,就會造成地幔與地核之間的旋轉運動不同步.因此,地幔與地核的旋轉運動不同步,自然也就不奇怪了.
不難想象,太陽和月亮的引力作用,以及地核內部的鐵核、鈷核中的穩(wěn)定同質異能素在高溫高壓作用下發(fā)生同質異能素轉化核反應時釋放核能的不均勻性,會造成電子殼層中具有超流動性物質的密度及分布發(fā)生巨大波動,由此產生的在地核與地幔之間的電子殼層底部中負離子物質大風暴會非常強烈,強烈的負離子物質大風暴又會產生強大的交變電磁場.
將電子殼層中的多余電子視為超自由電子,由于有大量超自由電子和自由電子的存在,按金屬導電的經典電子說,電子殼層的電阻由于電子殼層中的原子與超自由電子之間不存在固有的庫侖作用聯(lián)結.當超自由電子和自由電子在外電場的作用下作定向運動時,超自由電子不會通過電磁相互作用將定向運動所具有的能量傳遞給電子殼層中的原子物質,構成電子殼層的原子物質的無規(guī)則熱運動也不會影響到超自由電子在外電場的作用下的定向運動,因此,地球內部地核與地幔之間的電子殼層是一個沒有電阻的高溫超導地層.
根據量子力學理論,電子具有波動性,具有波動性的超自由電子在電子殼層中傳播時,由于波長與電子殼層中物質自由電子相差極大,其波長要比電子殼層中物質自由電子大很多,傳播時不會受到電子殼層中原子物質散射（或偏析）,使超自由電子在電子殼層中的傳播不會受到阻礙,因此,電子殼層中的“固有”電阻對波長與其自身的自由電子相差極大的超自由電子的影響是微不足道的.
根據量子力學理論,存在于具有惰性氣體結構原子軌道上的電子的排列不是任意的,超自由電子將趨于由自旋平行且反向的電子雙雙組成電子對.將地核與電子殼層視為一個巨大的“原子”,電子殼層中大量的超自由電子會雙雙組成大量的電子對,這種電子對組態(tài)可使系統(tǒng)的能量降低,形成穩(wěn)定的結合.于是,在電子殼層中大量的超自由電子將趨于形成電子對組態(tài).由于電子對的慣性質量極小,其熱運動不會與電子殼層中的原子產生熱能交換,換句話說,超自由電子形成的電子對的熱運動不受電子殼層中原子熱運動的影響,故利用電子殼層中大量的超自由電子和/或超自由電子組成的超自由電子對來傳輸電磁場能量,則電子殼層的電阻率將與電子殼層中超自由電子組成的電子對的密度成反比.由于地核的體積極大,溫度和壓力又相對較高,熱壓電效應造成電子氣海洋中超自由電子組成的超自由電子對的密度極大,電子殼層的導電率極高,堪稱是高溫超導地層,使得存在于其中的電流就如同存在于超導線圈中的電流那用,可以永不消失地在其中流動,也使得在地球上形成了一個磁場強度較穩(wěn)定的南北磁極.如上所述,太陽和月亮的引力作用,以及地核內部釋放核能的不均勻性,會造成電子殼層中具有超流動性物質的密度及分布發(fā)生巨大波動,由此產生的在地核與地幔之間的負離子物質大風暴會非常強烈,強烈的負離子物質大風暴又會產生強大的交變電磁場,使得存在于電子殼層的電流分布發(fā)生變化,造成地球磁場的南北磁極發(fā)生一種低速運動,這種低速運動在歷史上曾經多次造成地球的南北磁極翻轉.
天文觀測表明,太陽和木星具有很強的磁場,其中木星的磁場強度大約是地球磁場的20---40倍.太陽和木星上的元素主要是氫和少量的氦、氧等這類較輕的元素,其內部并沒有大量的鐵磁質元素,而地球上則含有大量的鐵、鈷、鎳等鐵磁質元素,那么,太陽和木星的磁場為何比地球還強呢?
眾所周知,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.而木星內部的溫度約為30000℃左右,壓力也比地球內部高的多,太陽內部的壓力、溫度還要更高.熱壓電效應可在太陽和木星內部產生更加廣闊的電子殼層,太陽和木星內部電子殼層的帶電量也比地球內部電子殼層的帶電量大的多,再加上木星的自轉速度較快,其自轉一周的時間為9小時56分30秒,木星內部電子殼層的運動的線速度也遠高于地球內部的電子殼層,其磁場強度自然也要比地球高的多.
事實上,如果天體的內部溫度超過鐵、鈷、鎳的居里點,則天體的磁場強度與其內部是否含有鐵、鈷、鎳等鐵磁質元素無關,因為在居里點溫度以上,它們的鐵磁質性質會發(fā)生突變,這時它們已經轉化為順磁質元素了.
正是由于太陽、木星內部的壓力、溫度遠高于地球,因此,太陽、木星上的磁場要比地球磁場強的多.而火星、水星的磁場比地球磁場弱,則說明火星、水星內部的壓力、溫度遠低于地球.
此外,由于中微子具有磁矩,天體的磁場還可能與其引力作用俘獲的冷中微子數(shù)量的多少有關.眾所周知,在宇宙中存在著大量的中微子,其中部分中微子的運動速度相對較低,有可能被天體的萬有引力作用俘獲,堆積在天體的內部.對于引力較強的天體,其內部被俘獲的冷中微子數(shù)量會較多,如果冷中微子在弱相互作用下,在天體的內部組合成結構較穩(wěn)定的暗物質,因其不受“明”物質熱運動的影響,其可在天體的內部按照一定順序方向排列,則也會產生一定強度的磁場.
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