地震坛 - 地震 - 地震吧 - 地震网 - 地震论坛

 找回密码
 注册register
搜索
热搜: 活动 交友 discuz
查看: 10899|回复: 1

地球磁场成因与地震预报

[复制链接]
发表于 2017-2-17 14:47 | 显示全部楼层 |阅读模式



地球磁场成因与地震预报

陈维会

(临沂大学沂水分校)



前言


由于篇幅及其他限制这里只粗略的提出一个全新的地球磁场成因机理,它能解释地球磁场的所有现象,或者说揭示了地球磁场的真正成因。由于本人知识水平和环境制约,无法进一步进行数理分析,只是依据现有的物理知识定性地阐明地球磁场成因的物理过程,每个环节也只能凭借有限的已知探测数据或物理原理进行论证,很不完善,只是抛砖引玉,对此感兴趣者可进行深入研究,更希望大家多提反驳意见,以便更正错误,使之更为接近事实。[url=mailto:%E8%81%94%E7%B3%BB%E9%82%AE%E7%AE%B1guyu98@sohu.com]联系邮箱guyu98@sohu.com[/url]
谢谢!

内容摘要:

地球磁场的起源现在仍然是个谜,许多假设都不能很好的解释地球磁场的一些现象。本文提出一种新的假设:由于太阳的温度很高那里的物质被电离,电离的太阳物质在运动时受太阳磁场的作用,正电荷会上浮到太阳的最外层并被抛向太空,太阳会失去过多的正电荷而带负电,地球俘获了太阳抛出来的正电荷而带正电。地球表层上的电荷分布是不均匀的,在太阳电场的作用下,地球表层的电荷绕地球运动形成了电流,地球磁场主要是由这电流产生的。利用这一假设可以很好的解释地球磁场许多现象,包括以往的假设无法解释的现象,并且有大量的测量数据佐证。


一、地球磁场的特性

宇宙中的天体大多数都有一定强度的磁场。据科学家探测研究得知:我们居住的地球磁场强度约为(0.30.6)×104T地球表层赤道上的磁场强度约为0.29~0.40高斯;地磁北极的磁场强度为0.61高斯;地磁南极的磁场强度为0.68高斯;南半球强北半球弱;南北磁极与地理的南北极不重合;地轴与地磁轴成11.50的交角;并且南北磁极的地理位置不断在变化,如下表所示。

磁北极在地理南极附近 (2001年估计)81.3°N,110.8°W   

(2004年估计) 82.3°N,113.4°W

磁南极在地里北极附近  (1998年估计) 64.6 S,138.5°E   (2004年估计) 63.5°S,138.0°E

地球磁场受太阳活动的影响较大,有与太阳黑子周期相同的11年周期变化,有与太阳公转周期相同的季节变化,地球表层的磁场强度随季节的变化是夏季增强冬季减弱,还随气候和空间环境在变化,干旱季节有所减弱。有与地球自转周期相同的,以一昼夜为周期的变化称为地磁场日变化,简称日变(diurnalvariation)。

日变的幅度因时间、季节和纬度而异,不同纬度地区日变规律不同。地磁场的日变化在南北纬300附近最强。地磁场的日变化一般是白天比夜间强,早晚平稳,中午明显,幅度一般在十几到几十纳特之间。下图是山东郯城地震台测绘的地磁和地电场的日变化曲线图

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.jpg

图一


太阳的活动对地磁影响巨大;地球表层各处磁场强度相差很大,有些地域在不同的时期磁场强度变化很大。

就地球的整个磁场来说是不稳定的,在历史上地球的基底磁场强度变化很大,有时强有时弱,甚至消失,或者地球磁场的南北极出现颠倒。据地质地磁检测在最近1000万年的时间里,地球磁场大致20万年翻转一次。没有一定规律,许多国家已经从地质勘测中查到了地磁反转的证据。

二、
地球磁场起源的探索

对地球磁场起源的探索,早在公元1600年前后就已经开始了,英国的吉伯(W.Gilbert)提出地球是一个巨大的磁石开始,有关地磁场起源的推测已有近400年的历史,先后提出了10多种学说,但至今仍未获得圆满解决。

其主要假说有永磁体说、电荷旋转学说、电流说、压电效应说、发电机理论等。这些假说有的被现代实验和研究所否定,有的不能圆满解释地球磁场的一些现象。

永磁假说认为:地球的内核是由镍铁组成的,它像一个巨大的磁棒,地球的磁场就是这永磁体产生的。这一假说很快被居里发现的居里点所否定。永磁体只所以具有磁性是因为磁性物质内微小区域的分子电流趋向一致形成磁畴,若大量的磁畴方向相同,对外就显示出磁性。当温度升高时由于分子的热运动,磁畴被破坏,磁性也就消失了。永磁体消失磁性的温度叫居里点,铁的居里点是770℃,地核的温度高达2700℃,地核中的铁镍早就失去了磁性,所以永磁说被否定。

从地球表层到地球中心的温度逐渐增高,塞贝克在1821年发现的塞贝克效应得知,地球内部和地球表层会产生不同的电荷,地球表层可能由此带有一定量的电荷。因此在公元1900年有人提出电荷旋转学说:认为地球表层和内部分别分布着符号相反、数量相等的电荷,地球的表层带有负电荷,地球表层的负电荷会随地球自西向东的自转而形成电流,由此电流产生了地球的磁场。但是此种电荷随地球一起同步运动,在地面上的观察者根本探测不到电荷的运动,这种相对于地面是静止的电荷不会产生磁场,因而地面上的人们就不会检测到地球的磁场。再就是这种假设形成的磁场两极应当与地理两极重合,事实不重合。又因为无论是地球的外核或内核都具有相当大的质量,它们的转动角速度是不易改变的,由此而产生的电流也是恒定的,地球磁场也会恒定不变,可地球磁场会随昼夜、季节、天气、太阳活动等因素而变化。这种假设也很难解释地球磁场的变化。因这种假设不能圆满解释地球的磁现象,而被否定。

现在大多数学者倾向于发电机理论。 1919年拉莫尔(J.Larmor)首先提出了旋转的导电流体维持自激发电机的可能性,这是关于地磁场起源的自激发电机说的最早概念。

发电机理论有两种模型,一种假设认为:地核中的物质在高温下处于熔融和电离状态,由于内核的温度高于外核的温度会发生对流,在地球自转作用下,产生的科利奥利力使对流成为涡旋流,又因这里的物质处于电离状态,这种导电的涡流体在原来微弱的地磁场作用下形成了一台自激发电机,于是形成了电流,是这电流形成了地球的磁场。近代探测表明:外核上层的温度约3500℃,内核上层的温度约6300,外核的厚度约2300km,外核的温度梯度约为1.2℃╱km,在极高压强的地核中,液态的金属粘稠度会变高,粘稠的金属熔液在这样小的温度梯度中是难以形成有效对流的,虽然靠近内核的区域温度高,但在那高温高压条件下熔融的金属液体,是否有地面上那样的热胀冷缩规律,目前还不得而知。再者地核是金属组成的,其热传导能力很强,光靠热传导就能把内部的热量传到上方,无需对流传导。即使形成对流其流速也会非常缓慢,由此产生的霍耳电势差也及其微小,而地球内核不可能是超导体,有一定的电阻,电流也就非常微弱,因而形成的磁场也非常微弱;由科利奥利力使对流成为的涡旋流平面垂直于地球自转轴,因此产生的地磁南北极必定与地轴重合,可事实是不重合。另外这种假设也不能解释地球磁场随昼夜,季节,气候及太阳活动的变化现象。因此也有学者加以修正,把由发电机理论产生的磁场叫基础磁场,跟随气候变化的磁场是高空电流系统在地面的感应电流所致,果真这样的话,因当地12点是电离层电离度最高的时段,此时应当地磁出现峰值,但事实恰好相反,此时却是一天中的最低点。为更重要的是:这种假设的能量来源无法解释,只是一种推测,如果外核中有涡流存在,那么地震波穿过外核时必定会产生多普勒效应,可人们没有发现这种现象,所以这种假设受到质疑。

另一种发电机理论的模型是:地核的外核是熔化的金属液体,内核是由铁镍组成的金属固体,内核的转动与外核的转动不同步,在原来磁场的作用下,具有很强导电能力的内核也成为一台自激发电机,由此而产生的电流的流动便形成了地球的磁场。如果真的存在不同步现象,有科学家估计内外核每年约只有0.3-0.5度的差异,那么最大相对线速度不足3.32×10-4M/S,内核中的电荷依这样的速度在0.5×10-4T磁场中运动所产生的霍耳电势差约几十毫伏,内核的电阻率在10-15数量级时形成的电流才能产生地球南北两级的磁场强度。可铁镍在常温常压下的电阻率是10-8数量级,(高温时的电阻率还会增加)相差如此之大,能产生足够的电流形成地磁场吗?但现在地球内核的转动与地球的转动是否不同步还没有可靠的科学依据。现在虽然有科学家依此理论建立了计算机三维立体物理模型模拟地球内部的实际情况。

由模拟显示的地磁场强度接近于实际情况,这只是模拟了地磁强度的大小,但由于地球内核的质量巨大它的转动是非常稳定的,所以这种理论无法解释地球磁场的其他变化情况。

自古至今所有的关于地球磁场起源假设,都集中在地球自身因素上,人们的目光一直盯在地球深处,靠一些未被证实的假设来证明另一个假设,靠模型的模拟来证明假设。无真凭实据的材料来证明这些假设,难免让人产生怀疑。

许多事实证明地球磁场的产生不光是地球自身的因素,与太阳密不可分,是整个宇宙协同作用的结果。

深海沉积物是经常连续沉积的,沉积物中所含的铁磁性矿物颗粒就在连续的沉积过程中受到磁化。这样,深海沉积物便提供了连续的地球磁场的历史记录,从中可以判断出一种极性到另一种极性的转变。1964年C.G.A.哈里森和B.M.芬内尔首先发现沉积物反向磁化的现象。1966年美国N.D.奥普代克和T.H.福斯特等查明北太平洋和大西洋的许多沉积岩心都具有正反向磁化层相互交替的完整顺序,据深海沉积层的年龄,可确定地磁极性转向年表。由此得知这种极性颠倒在地球的历史上不规律地发生过几百次,最近一次大约在78万年前。在最近1000万年的时间里,地球磁场大致20万年翻转一次。

第四纪冰期的5个亚冰期与地磁反向期有很好的对应关系。伏尔姆亚冰期(2-12万年)中的两次峰值与布容正向期中的Lashamp(2万年前后)和Xzone(10.8-11.4万年内)两次反向事件相对应。里士亚冰期(25-38万年)与Vzone反向事件(33-35万年)相对应。滚兹-明德尔间冰期(80-93万年)与松山反向期的Jaramillo正向事件(87-93万年)对应。亚冰期与地磁反向事件或地磁反向一一对应。冰期与地磁反向之间的对应关系表明,冰期并不一定对应地磁反向,但地磁反转一定对应冰期的发生。这绝不是巧合,必定是某种因素作用的必然结果。

冰期发生原因正在探索中,冰期的成因有各种不同说法,目前主要有两类:

一是地球所处宇宙环境,这有许多种:①从太阳系在银河系中的位置来考虑,认为太阳系绕银河系中心运动轨道的偏心率很大,当太阳系在银河系外侧即星系稀薄处时为宇宙年的冬季,所有行星都变冷,地球处于大冰期,一个宇宙年约2.5亿年,大致相当于两个大冰期的时间间隔;②从宇宙尘埃考虑,认为太阳系经过银河系旋臂时,密集的宇宙尘埃使太阳到达地球的辐射量减少,地球气候变冷,形成冰期。③从地球公转和自转来考虑,米兰科维奇计算了地球轨道三要素,偏心率e的变化引起地球接受太阳日照量的变化,e的变化周期平均10万年左右;黄赤道面的交角ε是地球上季节变化的根本原因,在几百万年时间里ε在22°02′~24°30′之间变化,ε值越大,一年中冬季与夏季差别越大,ε值越小则相反,ε值的变化周期约为4万年;岁差P即地轴进动使地球在近日点的季节发生变化,P的周期是2万年左右。地球上气候变化也有10万年、4万年和2万年的周期。④从太阳活动考虑,认为太阳活动增强时地球大气的平流型天气过程占优势,与间冰期相合,太阳活动减弱时则相反,与冰期相合;其中太阳黑子变化对气候变化的影响最显著,太阳黑子的5.5年、11年、22年、63年、210年周期可和气候变化的周期相对应。

二是地球自身因素;①从地理地质考虑,认为当大陆位于高纬度时发生冰期,位于低纬度时进入间冰期,用以解释第四纪以前各地质时期冰期发生原因。②从大气中的物质对太阳辐射的吸收、屏障的温室效应和阳伞效应考虑,频繁的火山活动陨石撞击等使大气层饱含着火山灰,尘埃等,使大气透明度低,类似遮阳伞,减少了太阳辐射量,导致地球变冷。二氧化碳的温室效应使地球气候变暖。

虽然现在还不了解地球冰期变化的具体成因,根据现在地球磁场成因的假设,引起地球冰期变化的自身因素,不会引起地磁颠倒,也就是说地球自身因素不会引起地磁颠倒。那么地磁转向与冰期对应这一事实也就证明,地磁的产生也不但是地球本身的因素,它与太阳活动或宇宙环境有着密切的关联.地磁的发电机理论,及其他地磁成因理论是无法解释这一现象的。

按行星回合指数K可得到约20万年的周期变化。这是巧合,还是必然不得而知,需进一步研究。但这似乎说明太阳抛射物质偏向某种电性也有周期规律,受宇宙某种运行规律支配。人类探索太阳辐射粒子的时间很短,仅几十年历史,还无法从统计学得出结论。

而从太阳系中九大行星的有关数据来看,行星偶极磁场的形成具有相似性,1、行星的磁场强度和行星的自转是密切相关的。例如:金星,它和地球其它参数很接近,但是它的自转速度很慢,几乎没有磁场;而自转周期很短的行星几乎都有强磁场,如:木星、土星,2、行星的磁场与行星表层电导率相关,如类地行星中,火星历史上曾有过湿润期,地面电导率较高,那时火星有较强的磁场,当变成干燥星球时磁场也几乎消失了。水星是由70%的金属组成,表面温度很高,所以表层电导率较高,它保有一定量磁场,类木气态行星都有高导层,因而也都有较强的磁场。3、行星的偶极磁场与地理两极相反,水星的偶极磁场与地球的很相像,极性也相同,即水星磁场的南极在水星的北半球,其北极在南半球。两颗气态行星木星和土星的磁场方向却与其它类地行星的磁场方向相反。4、行星的磁场与星球有无内核无关,火星与地球相似,也有由熔融的铁组成的液体内核,虽然还没有金星内部构造的探测资料,但据已知数据推断,金星也有固态的铁质内核,也有熔融的地幔,按照发电机理论他们应当有一定规模的磁场,可这两颗星球只有残留的微弱磁场,发电机理论不适应它们,那么地球磁场也绝不是发电机机理产生的!这些现象不是偶然的巧合,必定有某些宇宙规律支配。所以地球磁场决不是地球内部发电机机理形成的。

一、地球磁场的产生

早在1970诺贝尔奖获得者Hanncs阿尔芬就提出在地球物理及天文学中必须考虑静电作用的观点。如果我们把地球放在宇宙系统中,并考虑静电场等诸多因素,从基本物理规律着手,那么地球磁场的产生机理就会明晰。

磁场的产生有三种机理,一种是永磁体,靠磁性物质内微小区域的分子电流产生较小的磁性体--磁畴,大量的磁畴有序排列,对外就显示出磁场。第二种是运动的电荷产生磁场,(电流是电荷的定向运动,所以也可以说电流产生的磁场)。还有就是变化的电场产生磁场。地球磁场的产生也不外乎这三种形式。

既然地球内部没有永磁体,当然地球磁场不可能是交变电场产生的,因交变电场产生的磁场也是交变的,可地球的磁场相对来说是稳定的。那么地球磁场产生的原因只有一种,那就是运动电荷产生的!

那么这些电荷在哪里,怎么获得的这些电荷又是怎样运动的,驱使这些电荷运动的能量来自那里呢,这些运动电荷产生的磁场是否能解释地磁的所有现象,或者有普遍规律,能解释其他天体的磁现象?下面就用已知的事实回答和证明这些问题。

地球磁场是一个复杂的系统,在地面和太空测得的数值不同性质也不同,与周边天体有着密不可分的联系,特别是太阳对地球的磁场影响巨大。目光只盯在地球上是无法给出地球磁场的来龙去脉的。由于地球的磁场会随昼夜、季节、天气、太阳活动等因素而变化,这说明地球磁场不可能是由地球内部的运动电荷产生的,因为由于地壳的屏蔽作用地球外部的变化不会影响到地球内部的电荷运动,所以地球的磁场主要是由地球表层的运动电荷,及近地空间运动电荷产生的。既然地球磁场主要来自于地球表层电荷的运动,那么这些电荷来自哪里呢?

1、地球表层电荷的来源

如果我们把视线扩大到宇宙中去,会发现宇宙中充满了电荷。太阳是一个巨大电荷载体,实际上地球表层电荷来自太阳。

我们先了解一下太阳:太阳的半径: 696295 千米. 质量: 1.989×10^30 千克
平均密度1.409/立方厘米,它的体积是地球的130多万倍。太阳的结构示意图如下图:


file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image003.png

图二,太阳内部结构示意图

从太阳的内到外依次是:

核反应区
从中心到174000km热核反应发生区域,太阳发射巨大能量的真正源头,也称为核反应区。在这里,太阳核心处温度高达1500万度,压力相当于3000亿个大气压

辐射区
174000 598800km是太阳辐射区,核反应区的能量各种电磁辐射和粒子流形式经辐射区向外辐射。

对流层
对流层是辐射区的外侧区域,其厚度约有十几万千米,由于这里的温度、压力和密度梯度都很大,太阳气体呈对流的不稳定状态。使物质的径向对流运动强烈,热的物质向外运动,冷的物质沉入内部,太阳内部能量就是靠物质的这种对流,由内部向外部传输。

光球层
我们平时所见的太阳圆盘,称为太阳光球层,它是对流层上面的太阳大气。光球顶部接近色球处的温度差不多是4300℃。光球是一层不透明的气体薄层,厚度约500千米。它确定了太阳非常清晰的边界,几乎所有的可见光都是从这一层发射出来的。光球层的离子密度是1023/m3

光球层上常发生太阳黑子、临边昏暗、米粒组织等现象。


色球层
色球位于光球之上。厚度约2000千米,离子密度是1017/m3。太阳的温度分布从核心向外直到光球层,都是逐渐下降的,但到了色球层,却又反常上升,到色球顶部时已达几万度,由于色球层发出的可见光总量不及光球的1%,因此人们平常看不到它。色球层上会发生太阳耀斑。

日冕层
是太阳大气的最外层,它由高温、低密度的离子体所组成,亮度微弱。日冕的温度高达百万度,其大小和形状与太阳活动有关,在太阳活动极大年时,日冕接近圆形;在太阳宁静年则呈椭圆形。

太阳有着复杂的磁场,日面宁静区的磁场强度约1×10-43×10-4特斯拉,是地球的5倍。它在太阳南北两极区极性相反,近年的观测发现,通过光球的大多数磁通量管被集中在太阳表层称作磁元的区域,其半径为100300千米,场强0.10.2特斯拉,太阳磁场主要在太阳大气的光球、色球和日冕低层中。太阳的基本磁场强度约为1高斯,局部磁场可达3000高斯。下图是美国航天局公布的太阳磁场图片

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image005.png

图三,太阳磁场示意图

太阳某些行为上的变化,有一定的规律和循环周期,发现的有11年和22年的周期,但对太阳的观察记录才400年的时间,许多可能的周期模式未被充分认知,但应用行星回合指数K得到198585年,17870年,2307年的等运行周期

太阳大气的温度相当高,大多数物质被电离,是等离子体。从太阳大气抛射的粒子流主要是质子和电子,大多数情况下正负电荷相等,所以宏观来说太阳风是电中性的。

那么地球怎样从太阳上获得净的电荷呢,这就必须在太阳大气中有一个带净电荷(正负电荷数量不相等,宏观尺度上对外显示正或负的电性)的区域,起始于该区域或经过该区域的太阳风,会裹挟大量的净电荷被抛出太阳,并被地球接纳,这时地球就会带某种电荷。关键是太阳上是否有较大区域的净电荷斑块,如果证明太阳有这样的电荷斑块,那么地球上的电荷来自太阳就无需置疑。

太阳大气是电离的等离子体,具有很好的导电性能由于微观电场的屏蔽效应,在大于德拜半径尺度(10-11m<λd<10-2m)外不存在宏观的静电场,那么就不会有大区域的净正电荷或净负电荷斑块。这是从静态等离子体考虑得出的结论,其实太阳是狂暴的星球,带电离子都在高速运动,由洛伦兹力也可产生大区域的准静电荷斑块。

太阳大气层物质的运动方向非常混乱,不同区域的物质运动方向不同,同一区域物质的运动方向在不同的时间也不会相同。但从太阳整体来看,在某一周期中的特定时期,太阳大气某一较大区域的物质运动方向趋于一致,由于太阳有较强水平分量的磁场,平行于太阳表层且垂直于太阳水平磁场运动的电离物质会产生霍耳效应,电荷受到的洛伦兹力是F=QVB
,正负电荷受到太阳磁场的洛伦兹力方向相反,且力的方向是平行于太阳半径的。若某种电荷(如正电荷)受到的电磁力,方向是沿太阳半径向外的,那么正电荷会上浮,负电荷会下沉。由太阳核心区提供的巨大核能,源源不断的提供正负离子分离所需的能量,使正电荷能够上升到太阳的色球层和日冕层,使这里正电荷的数量大于负电荷的数量。运动物质的动能转化为电势能,像磁流体发电机一样,维持这一区域一定的净正电荷量,太阳每时每刻都会向太空抛射大量的物质,起始于该区域或经过该区域的太阳风,(太阳风是从太阳抛出的带电粒子流,主要由带正电荷的质子与带负电的电子组成,有少量氦核及微量重离子成分),会裹挟大量的正电荷被抛出,此时太阳抛向太空的正电荷数量会大于负电荷的数量,如果此次抛射正好对准地球,地球就会得到多余的正电荷而带正电。而太阳也会因失去正负电荷的平衡而带负电。虽然太阳失去了许多正电荷,这对体量巨大的太阳来说可以忽略不计,由于电场力是远距离作用力,所以对地球的静电力不容小觑。

下图是美国航天局公布的太阳抛射电荷流的图片。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image007.jpg

图四,太阳风照片

事情果真于此吗,有没有事实依据?我们来看看太阳上经常发生的太阳黑子,下图是太阳黑子图片。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image009.jpg

      图五,太阳黑子照片

一个中等太阳黑子的直径比地球直径还要大,黑子往往成群出现。经研究证实太阳黑子有很强的磁场,比地球上的磁场强度高上一万倍,达0.1---0.4特斯拉。目前太阳黑子磁场的成因主要有发电机学说,该学说认为:运动的太阳电离物质,在原先微弱的磁场作用下,就像等离子发电机一样使离子体中的电荷分离,形成一电场,电场驱使电荷流动,形成涡旋电流,涡旋电流又加强了原来的磁场,使黑子磁场增强到一个平衡值为止。

因黑子的体积巨大,那么涡旋电流和被分离的准净电荷区域必定会比黑子更大,太阳内不存在宏观静电场的推论是在平静等离子体的前提下导出的,实际上太阳物质在做高速运动,最猛烈时可达每秒800千米以上,自然该结论不适用于太阳,洛伦兹力同样可产生大区域的准净电荷斑块,太阳黑子的强磁场可间接证明净电荷斑块的存在。

设一个直径为1米的太阳大气空间中有0.5×1017个正电荷,其中在球体表层上的0.5×107个正电荷Q欲逃离该球体,把球体中的负电荷看做集中在球心的一点上,两电荷在真空中的吸引力是Fq=KQ1Q2/r2这电荷为Q,在磁感应强度为B,运动速度为V的真空环境中的电磁力Fb=QVB电荷欲脱离球体必须Fb > Fq,把Q=e×0.5×107 B=0.2代入求得,电荷的运动速度V必须大于每秒0.144米,平均太阳风速大于每秒300千米,所以洛伦兹力足能克服电荷引力,使太阳上形成较大区域的准净电荷斑块。

由于对太阳宏观电场的测量比较困难,过去很少有人进行研究,近几年随着先进静电探测仪器的出现,及一系列空间探测卫星的投入使用,对太阳电场的研究才刚刚起步。但Foukal等人利用氢原子线性塔斯克效应直接测得了170V/cm静电场强度,这就直接证明了净电荷斑块的存在。虽证明太阳表面存在大面积的电荷斑块,也不能保证太阳就会有净电荷抛射。是否太阳有净电荷抛出还需有事实依据才能定论。

进入太空时代,由于高速粒子流有巨大的破坏作用,人们对相对论性粒子比较关注,各国投入巨大财力和人力进行探测研究。1964年由行星际探测器“水手”4号,在太阳出现耀斑时第一次探测到太阳只发射高能电子流而没有质子流的现象。这种情况叫太阳纯电子事件。在以后的卫星探测中还检测到高能带电粒子中,质子占了总粒子数的90%以上的质子事件,太阳质子事件都伴生非相对论性电子,很少例外。太阳的电子事件和质子事件是与太阳耀斑密切相关的经常性事件。无论相对论性带电离子,还是非相对性带电离子,只是粒子能量的不同,其带的电量是不变的,那么太阳电子事件的粒子流中电子数量大于质子数量,粒子流整体显负电性,太阳质子事件的粒子流整体显正电性。虽高能带电离子的起源和加速机制目前尚不甚明了,但基本原理同上述是一致的。

虽然准静电荷斑块确实存在,也探测到了具有净电性的太阳粒子流,但从太阳抛射的物质可能是带净正电荷,也可能带净负电荷,若几率相等,长时间平均,抛射物质也是电中性的,那么地球依旧不会带电。太阳某些行为变化有一定的规律性和循环周期,某个特殊时间段从太阳抛射的物质可能偏向某种电性,不再是电中性,那么地球就会带电,太阳也会失去某种电荷而带与地球相反电性的电荷。太阳的带电量达到某种量值时进入动态平衡,太阳抛射的物质中正负电荷相等并维持这一状态,直到下一周期时才得以改变。这种可能是有的,但只是一种猜测。

太阳抛射的带电粒子流,大多数在地球磁顶层被折射绕过地球,极少数进入地球磁场,进入地球磁场的带电离子,在洛伦兹力的作用下,一方面绕地球磁力线旋转,一方面在地球南北镜像点来回震荡,这就形成了范艾伦带。电荷在范艾伦带驻留一段时间后,最终会落向地面

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image011.png

图六
电荷在地磁场中的运动

一般非相对论离子的能量不足以穿透地球的磁场,在异常强烈的太阳耀斑事件中,质子或电子可以获得足够的能量,它们可从极尖区也可从低纬度区域直接深入地球的磁层和更深的电离层,在震荡至极地的离子与大气中的气体成分碰撞,并且在电离的过程中释放能量。最终因无足够能量重返太空也会落向地面。

极光就是太空电荷进入地球的证据。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image013.jpg

图七,极光照片

虽然落入地球的电荷有正有负,一般情况正负电荷相等,如果某个特殊时间段从太阳抛射的物质偏向某种电性,如正电荷量值大于负电荷量值,在太阳身边的地球会俘获大量的正电荷,日地之间会有电的相互作用力,产生一个由地球指向太阳的电场。

有证据证明太阳和地球之间有由地球指向太阳的电场吗?有!

由场磨静电仪,在地面,探空气球,飞机及卫星探测得知,地面以上的近地大气空间相对地面而言存在一个垂直向下的电场,并随高度递减,在达到某高度后电场改变方向,成为垂直向上。

前苏联科学家在列宁格勒,基铺,塔什干三地对大气电场进行测量,获得了四种晴天大气电场的类型,其中在较高空域的电场变化规律与下图所示。


file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image015.png

图八  大气电场随高度变化规律

由图看出,大气低层电场为负,在2km以下近地空间大气电场近似按指数规律衰减,3.5km高处大气电场为零,高于3.5km后大气电场改变为正向。这就是说整个地球体系(地球及地球的大气层)带有净正电荷。

世界各地近地大气电场的数值不尽相同,受多种因素影响。主要有高空电场和近地大气电场叠加影响,近地空间气溶胶的沉浮,雷电等,变化幅度在80v/m左右。下图是江苏句容晴天近地大气电场的日变化曲线。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image017.jpg

图九  大气电场的日变化

科学家公认的是,静稳晴天时,海平面是-130V/m,低洼地-110v/m,全球平均-120v/m,离地面3--4公里的大气电场接近于零或转向。取地面平均电场E=-120v/m,根据高斯定理:

∫sEds=E4πr2=4πKq  得q=Er2/k=-120×(6.37×106)2/9.0×109=-5.4×105库伦,负符号代表近地大气电场的方向向下,这就是说地球中存有5.4×105库伦的净负电荷。

所以大多数人想当然的认为,地球的近地大气中带有正电荷,地球表面带负电荷,所带电量都是5.4×105库伦。

实际检测近地大气中确实含有5.4×105库伦的正电荷,如果地球表面带有负电荷,那么地层中就会有一个向上的电场,可在深井探测中除岩层之间的电场外并无普遍的向上电场。地层中必有其他电荷存在。所以实际情况可能没有以上认为的那样简单。

2、地球径向的电荷分布

科学探测表明,地面表层也就是几百米的地下主要是含水的多裂隙沉积岩,电阻率在100Ω˙m左右,海水小于0.1Ω˙Μ,为了叙述方便我们把这一层叫A导电层.再向下的基岩,主要是花岗岩和玄武岩,由于其内部压力和温度的升高,岩层里的水是以结晶水,强结合水和气态水形式存在,电阻率很高,高达5×107Ω&#8226;Μ。裂隙里虽有较多的自由水,但裂隙很少,多呈水平状态,大多不贯通,所以整体电阻率很大,对离子而言呈现绝缘状态,这一层我们叫B绝缘层.在地下6--12km的地壳中存在一层全球性的高导层,电阻率在0.02--1Ω˙m,这一层叫它C导电层.AC导电层和夹在中间的B绝缘层,构成一个电容器,我们叫它上地电容。上地电容的容量约9法拉。

科学家在研究地震波传播速度在地球内部的变化时发现,上地幔接近顶部的位置有一个地震波传播速度明显减缓的层,称为“古登堡低速层”。推测此层地震波传播速度慢的原因是积累的热量使岩石软化并局部熔融,故称为“软流层”。软流层是上地幔的一个高导层,上地幔的高导层我们叫它E导电层,E导电层的上层D是靠近上地幔的岩石层,岩石中不可能存在大面积的液态自由水,离子只能以扩散,和晶间置换的方式移动,迁移速度极其缓慢,无法像在水中那样自由移动,干燥岩石对体积较大的带电离子是不可逾越的屏障,电阻率高达5×107Ω&#8226;Μ。所以这靠近上地幔的D层是良好的绝缘层。C导电层,中间的D绝缘层和E导电层又构成一个电容,叫中地电容,其电容量约是0.9法拉。

软流层以下由于温度升高电阻率下降,但对于离子来说,其电阻率远大于软流层,这层叫F层。F层以下是上地幔的底层及下地幔,地心的外核内核,这里的温度高达3000度以上,是很好的导体,F层以下的导电区域叫G导体,E和G导电层与绝缘的F层又构成一个电容,此电容叫下地电容。

在上次地磁场颠倒之前,地球表层带有负电荷,由于静电感应,下地幔及地核中感应正电荷,虽然上地幔及地壳下层的岩石是极好的绝缘体,但受地幔及地核中正电荷的吸引,绝缘层总会有漏电,负电荷会渗漏到导电的下地幔及地核中,长此以往渗漏的负电荷数量可观。当太阳进入轨道某一特殊位置时,太阳黑子或耀斑进入特殊时期,太阳抛射的太阳物质中正电荷大于负电荷,地球接受来自太阳的正电荷,使地球表层由带负电转变成带正电,但地球内部的负电荷却无法快速中和,仍保持原来的大量负电荷。

那就是地球表层带有大量的正电荷,地球的近地大气也带正电荷。地球的地幔以下带负电荷,地球内部的负电荷比地球表层的正电荷多5.4×105库伦,使地球带净的负电荷,所以近地大气有方向向下的电场。

地球表面至3.5公里高处的大气带5.4×105库伦的正电荷,这时高斯面内正负电荷的代数和为零,再向上虽然大气中的正电荷密度减少,但正电荷的数量是在增加的,所以整个地球系统(地球和大气)带净的正电荷,有一个向上的电场。

地球表层是导电的导体,导体的内部场强处处为零,处于地幔负电荷电场中的地球表层会在地球表面感应出负电荷,地面感应负电荷的数值是5.4×105库伦。地球表层也就是A层的中底部感应出同样数量的正电荷.地球表层已带有大量的正电荷,加之感应的正电荷,
A层中底部的正电荷会更多,这样地球表层内部的电场之和为零.

由于B层的漏电,地球表层的正电荷也会慢慢进入C导电层,使C导电层带有正电荷.虽然C层也带正电荷,但正电荷数量少于A层,两层的电势不相等,A层高于C层,根据地震监测到的大气电场异常幅度估算,AC层之间至少有1×105伏,电场强度10V/m左右。

D层的电阻率虽大于B层,但也会漏电,地球表层的正电荷进入D层不仅中和掉这里的负电荷,还使这里带上正电荷.

由于F层厚度大,漏电流小,这里现在还保持着数量可观的负电荷,中和掉这里的负电荷需漫长的历史过程.

地层的上中下三个地电容串联,且都被充电。

那么地球表层到底带电不带电,带正电还是负电?因地球表层电荷体密度较低,我们又处在地电场中,根本无法用类似静电计的仪器,直接测定大地所带电荷的极性与电量,也没有办法直接测量大地的电势,因为我们找不到一个作为零电势的参考点,但可进行间接证明。

1994年美国麻省理工学院地球资源实验室进行了震电效应试验,其中用干燥的沙子做实验时也测到了震电信号,这用压电效应和过滤电势无法解释,如果用大地带有电荷就可解释,因沙子带有电荷,振动波到达电极时,如果沙子被压实,相应的电荷密度也高于平均值,电极会接受到一个正或负的电压,沙子被疏松时相应正电荷低于平均值,便显示出相反的电压。

3、地球表层电荷的分布

太阳中心与地球中心的连线与地面的交点叫正垂点。由于地球的自传,正垂点在地面上掠过一个围绕地球的圆,叫垂点圆。垂点圆平行于赤道,随季节的变化,垂点圆在南北回归线之间摆动。(见下图)


file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image018.png

图十二,正垂点示意图

由下地幔负电荷电场的作用,地球表层的导电层底部感应出正电荷,地球表面感应出少量的负电荷,使地球表层的导电层内部电场强度为零,但整个地球表层带有大量的正电荷,正电荷量值远远大于感应的负电荷。

当地球不受任何外部电场力的作用时,地球表层的电荷分布基本是均匀的,地球表层各处的电荷密度是相等的。由于地球表层布满了水并含有大量的电解质,所以地球表层是电的良导体。落入地球南北极的电荷,正负电荷发生中和,剩余的正电荷在太阳电场的作用下会向低纬度地区运动,随着维度的增大,电荷密度逐渐减少,在南北两极处,电荷被拉到低纬度区域,因而这些地方的电荷密度较低,低于地球表层电荷的平均值。低纬度地区电荷密度大,远大于地球表层电荷的平均值;由于地球的阻挡,太阳电场对地球背阴面电荷的作用力减弱,地球背阴面电荷的分布较向阳面分散,所以地球表层的电荷分布是不均匀的。在低纬度地区形成一条围绕地球的电荷带。靠近垂点圆的电荷密度最高,垂点圆两边的电荷密度逐渐降低,形成一个电荷斑块。地球表层的电荷大部分集中在垂点圆两边±300的范围内。像一个一边厚一边薄的甜甜圈。(如下图7所示。)


file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image020.jpg
图十三,地球电荷分布示意图

4、地球表层电荷的运动

地球自转的平均角速度为7.292×10-5弧度/秒,地球自转的线速度V=2πRcos&#216;/24,R是地球半径,&#216;是地球纬度,地球赤道上的自转线速度为465米/秒。如果没有电场的作用,处在地球表层的正电荷,地球表面的负电荷也随地球一起以同样的线速度运动。可地球表层的电荷处在太阳负电荷产生的电场、空间电离层电荷产生的电场、地球内部电荷产生的电场等复杂的电场中。若只考虑太阳电场的作用,那么在地球表层向阳面的正电荷,由于受到太阳负电场的吸力作用,会产生一个相对于地球的运动,设正垂点绕地面由东向西移动的方向为正,正电荷跟随正垂点移动的速度为V0,正垂点东西两侧的正电荷,受太阳负电荷在水平方向的引力的分力不同,移动速度也不同,设东侧平均移动速度为Va,西侧平均移动速度为Vb,在量值上Va等于Vb,但方向相反。见下图所示。


file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image022.png

正电荷相对地球的移动速度V=(V0+Va+V0-Vb)/2=2V0/2=V0

既正电荷在向阳面以V0的速度跟随正垂点由东向西运动。同样地球表面的负电荷在太阳负电荷的斥力作用下,也由东向西运动,但电流方向是由西向东的。

由于地球表层中正电荷的数量远远大于负电荷,所以地球表层有由东向西的电流。

由于地球表层的导电层主要有水、湿润的土壤,矿物导体等,类似于金属的导体很少,导电形式主要是靠各种正负离子在液相中的迁移,迁移率决定了其导电能力,无论海洋中的离子还是陆地土壤中的离子,由于离子的重量和体积比电子大,在运动中受到的阻力比电子大,其运动速度远远低于正垂点的速度,离子运动的距离都很小。所以离子的运动速度很慢跟不上正垂点的运行速度。基本都是在原地短距离的定向移动。但大量带电离子跟随正垂点的定向运动就形成了可观的电流。由于地球自身由西向东的自转,地层正电荷在太阳电场的作用下会跟随正垂点由东向西运动,电流方向也是自东向西流动的。  

电流是连续的,在太阳电场驱使下,地球向阳面大量正电荷的运动方向相同,形成西侧的电势高于东侧的电势,这向阳面相当于发电机,或者像一节电池。背阳面相当于一段导线,连接电池的两极,在这电势的驱动下在,背阳面也有由东向西的电流,于是便形成了从东向西环绕地球的环形电流。地球磁场的主要部分是由这种环形电流产生的。从电荷的分布和运动速度来看。向阳面的电荷集中,运动快。背阳面电荷分散,运动较慢。


(下图是太阳的电场力和地球自转驱动地面电荷绕地球运动的示意图)

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image024.jpg

图十四,地球表层正电荷运动示意图

5、地球外围的电荷分布

除了地球内部及表层带有电荷外,在地球表层以外的空间也有大量的电荷。太阳到地球的区间,有近似真空的区域,有近似导体的高空大气层,也有近似绝缘体的低空大气层,这些区域在日地电场中表现出不同的电特性。在近地的大气中有大量的正电荷,由于大气稠密,带电粒子运动时发生碰撞的几率高,所以这一层大气是电的绝缘体,电阻率达1013Ω˙m。但带电粒子有跟随正垂点定向运动趋势,也会形成微弱的电流,可忽略。在离地面100km左右的暖层空间,由于温度升高,在太阳及宇宙射线的作用下这里的空气发生了电离。从太阳飞来的带电离子也有一部份会滞留在这里,这就是E电离层。地球向阳面聚集的正电荷斑块产生的电场,作用于E电离层。吸引E电离层的电子下沉形成D电离层,原E电离层由于缺少了电子而带正电。这时会有一个由E电离层指向D电离层的电场ED,这电场与地球指向太阳的电场E0方向相反,在数值上当EDE0D电离层不再下降。在下午的傍晚时分,地面正电荷随正垂点离去,对E电离层负电荷的引力作用减小, D电离层的负电荷受E电离层正电荷的引力相对加强,d电离层的负电荷开始上升并与E电离层的电荷中和,D电离层逐渐减弱,E电离层也逐渐减弱。地球背阴面正电荷少于向阳面,分布不再那么集中,对E电离层电子的引力作用很小,所以夜晚D电离层会消失。D电离层的电荷分布与地面电荷斑块相似,除有昼夜变化外也随季节南北移动,这从侧面证明地球表层是有电荷的,也证明电荷的分布及运动的论述是正确的。

在暖层的100km-3000km是未被电离的绝缘层,从太阳飞来的质量较小的电子被阻挡在了这一层之上,形成了带负电的F电离层。

在离地面6000km12000km18000km24000km的地方有两条电荷带,叫范艾伦辐射带,内层范艾伦辐射带主要是高能质子,外层艾范伦辐射带主要是高能电子。这些电荷沿地磁线做高速螺旋运动,并在地磁两极间振荡。

若太阳带负电荷,那么在外层范艾伦辐射带与太阳之间还有一层或数层人们没有发现的带正负电的电荷带。这种正负电荷带交替出现的电荷带我们不妨叫它震波带。每条震波带各个不同区域上的电荷密度和厚度都不一样,震波带在诸多电场的作用下形成了特除的形状,向阳面的电荷密度大,被太阳风压向了低空,背阳面的电荷密度稍小且被束缚在地球的阴影里形成了一个拖尾。在向阳和背阳的分界处电荷密度和厚度最小。

6、地球的磁场

地球的磁场是由地球内部电荷、地球表层电荷及地球以外电荷的运动产生的,情况非常复杂。

1、以地球为参照系的地球磁场

在以地球为参照系时,地球内部的负电荷、地幔中的电荷、地壳高导层的正电荷、地球表层上的正电荷、地球表面的负电荷、大气中的正电荷,E电离层的部分电荷、范艾伦辐射带的电荷有些向阳面占多数,有些背阳面占多数,由于地球是自转的,我们可看成地球不动以上各层电荷在绕地球运动。

其中地球内部的负电荷由于地球表层高导层的屏蔽作用,它们不会受太阳电场的作用,只随地球绕地轴运转,相对地球来说是静止的,不会产生磁场。地幔和地壳高导层中的正电荷,也是受地球表层对太阳电场起到屏蔽作用,不受日地电场的影响,也只跟随地球一起转动,所以这部分电荷相对地球来说也是静止的,不会产生磁场。

近地大气的一薄层中有向下的电场,但地表层的正电荷还会受到太阳电场的影响,由江苏句容市测得的晴天大气电场日变化情况看,中午前后向下的大气电场有所减弱,这可能与空气中气溶胶含量有关,但根本因素是日地之间向上电场作用结果。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image017.jpg

因大气电场是全球普遍的电场,对地球表层正电荷的移动不起作用,如果去除这个电场,只剩下地球表层正电荷和太阳负电荷之间形成的由地球指向太阳的电场,这样就能方便研究。

在太阳负电荷电场作用下,地球表层的正电荷跟随正垂点沿地球表层移动形成电流,这电流形成的磁场设为Hb,地理的南极为该磁场的N极,地理的北极为该磁场的S极。地球的表层有大陆、海洋、高山、湖泊、沙漠。它们的导电性能差异很大。大洋中的海水是电的良导体,电阻率小于0.1Ω˙m,湿润的土壤的导电性能较海水差很多,电阻率100Ω˙m,左右,而干旱的沙漠及岩石裸露的山区导电性能很差,电阻率可达104Ω˙m,电流主要沿电阻率较小的地带传播。所以地球表层电流的分布是不均匀的。在广阔的太平洋地区电流主要沿太阳直射区域的低纬度带流动。在东经120o区域,赤道以北由于受到亚洲大陆的越南,马来西亚陆地的阻挡,电流向南偏移,经菲律宾、印度尼西亚等群岛及南半球的海洋进入印度洋;在东经45o的印度洋西岸,电流受到非洲大陆的阻挡,一部分向南绕过非洲大陆和南美洲大陆,一部分经地中海到达大西洋,这两股电流强度基本差不多,少部分穿过非洲大陆和南美洲大陆,到达大西洋。在大西洋西岸电流主要通过加勒比海到达太平洋。地球表层上的电荷并不是一直沿纬线流动的环形电流,电流主要沿电阻较小的海洋流动,在东经45o到西经90o之间电流显著向南偏移,从而地球磁场的N极明显向东经120o180o的低纬度地区偏移;在北半球的东经45o135o之间由于亚欧大陆的阻挡电流较小,而在西经45o135o之间由于美洲大陆的阻挡使得加勒比海的电流明显增大,因磁场的大小是由电流的大小决定的,因而地磁轴不会和地轴重合,地磁轴会向西经45o135o区域倾斜,所以地磁的南极会偏离地理北极。这就像一个弯曲变形的线圈,通电后产生的磁场也是弯曲的,这就是地球磁场不和地理轴线重合的原因。放眼整个地球,北半球多陆地,南半球多海洋,所以南半球的电流多于北半球,这就是南极磁场强度高于北半球的原因。

流经海洋的电荷还会受到洋流的影响,海水电解质密度的影响,气候的影响;气候决定着大陆电导率的改变,因此也改变着电流分配格局。所以环绕地球的电流流经路线和强度会随以上各种因素变化,因而南北磁极点会不断变化,局部的磁场也会变化。

在历史中,大陆板块的漂移会使环绕地球的电流路径发生很大的变化,南北磁极点会有较大的位移。

D电离层的负电荷绕地球运动形成的磁场设为HdE电离层的正电荷绕地球运动形成的磁场设为He;范艾伦辐射带内层的正电荷绕地球的运动形成的磁场设为Hn; 范艾伦辐射带外层的负电荷绕地球的运动形成的磁场设为Hw

地球的磁场HHbHdHeHnHw,由于HdHe方向相反,HnHw方向相反,它们的和较小,可不计,所以地球的磁场主要由地球表层正电荷绕地球的运动而产生的。又因为地核主要是由铁磁性物质铁和镍组成的,它们具有较高的相对磁导率,所以地球内部的磁感应强度大于地球表层的磁感应强度,地球两极的磁感应强度大于赤道地区的磁感应强度。

在地球的表层真的有电流存在吗?它与地磁有关联吗?1847年,巴洛(W.H.Barlow)从英国的电话线中最先发现了大地电流。1865年,在英国的格林威治天文台上,建立了第一个地电观测点,上世纪70年代我国建立了大量的地电和地磁监测点,这不仅证明了大地电流的存在,还积累了大量的资料。图一是山东省郯城地震台测得的地电场和地磁的合成曲线图,从图中看出地电场和地磁保持着一致的变化规律。

下面我们用黑龙江绥化地震台测得地电场5阶谐波合成的,日变化曲线(图10

                                             


file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image026.jpg
图十五,地电荷运动时受阻的示意图

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image028.jpg

图十六,实测的地电场地磁场日变化曲线

来分析地电场是如何形成此规律的。

   把北京地区所处的东经1200线作为北京时间中午12点的时间线(见图十一),北京时间午夜0点时分,正电荷斑块跟随正垂点在南美洲西经600线,这时电荷斑块处在南美洲大陆中部,因陆地中离子数量远远小于海洋,电荷斑块受南北美洲大陆的阻挡,电荷环流不强。全球电场处于平均值,北京地区处在背阴面,地电流比较分散,地电场强度处于平均水平,6点正垂点到达太平洋西经1500线,电荷斑块移离南北美洲大陆,由于海水的导电性能远远高于陆地,电荷环流增强,电场开始增强。8点正垂点处在太平洋的中心1800线上,电荷斑块完全不受大陆阻挡,电荷环流最强,地电场达到最大值。13点正垂点在东经1050上,电荷斑块除受到欧亚大陆阻挡外,还受到越南、柬埔寨、马来西亚、印度尼西亚,澳大利亚等区域的阻拦,地电场数值降至最低。18点正垂点在东经30度线上,进入非洲大陆,电场强度又出现低谷。21点正垂点在西经15度线上,进入大西洋,由于大西洋较窄,电荷斑块的两边都在大陆中,电荷环流不是太强,电场强度上升不大。这与实测的地电场地磁场日变化曲线完全吻合,这也充分证明地球磁场是地层电荷移动引起的。有人认为地磁的日变化规律是高空电流体系引起的,这无法解释此现象。

由于正垂点经过大洋和陆地引起的地电场变化是普遍的,世界各地的电场强度日变化强度曲线基本相同,只是时间上有差异,下图是地电场变化曲线随地理经度由东向西的顺延情况

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image030.jpg

图十七,不同时区实测的地电场地磁场日变化曲线

由正电荷斑块随正垂点移动引起的电流,并不是一直由东向西流动的,电流会沿低电阻区域流动。比喻在山东地区,电流受大陆的阻挡会折向南流动;海洋中洋流也会带动电荷运动,使电流改变方向。吉什和鲁尼的涡旋电流线分布图也看出电流的分布,但决不是涡流。

地电场起因比较复杂,其他因素引起的电场强度,在局部或某地不同时间可能会远远超过由正电荷斑块随正垂点移动引起的电场强度强许多,但总体由正电荷斑块随正垂点移动引起的电场占主导地位。

(2)、地下电流

以上的理论分析,和各个地震台站检测的地电场变化规律完全吻合,那么地层中测得的电流值,是否能产生地磁的强度呢。为便于估算,设地球是一个正圆体,地理南北极与地磁南北极重合,磁极的磁感应强度为0.6*10-4特斯拉,地球半径为6738千米,地层电流集中在赤道上。因地球主要由铁氧组成,地球的相对导磁率比较复杂,纯铁相对导磁率大于5000,铸铁大于300,取地球的相对导磁率为100。由毕奥-萨伐尔-拉帕拉斯定律粗略估计,产生北磁极的磁场强度需1721×104安培电流。若此电流均匀的分布在南北极之间,渗入地表下500米,则电流密度为1.7安培/平方千米。

这比英国格林威治天文台地电观测点,检测的2安培/平方千米数据略小,但基本吻合。这说明地下确实有产生地球磁场的电流存在,并且探测到的电流足以产生地球磁场的强度。实际上海洋中的电流远大于陆地的电流,低纬度地区的电流远大于高纬度地区的电流。

3、以太阳为参照系的地球磁场


在以太阳为参照系时,地核中的电荷、地幔中的电荷、随地球一起绕地轴运转,由于地球表层的电荷跟随正垂点移动的速度很小,以太阳为参照系时,看作是随同地球一起运动的,由于地球内部的负电荷随地球转动时转动半径,小于地球表层的正电荷转动半径,虽然负电荷稍多于正电荷,但所以、D电离层中的电荷F电离层的大部分电荷由于受到大气的作用,也会随地球大气绕地轴运转,它们会产生磁场。E电离层中的电荷、范艾伦辐射带的内外层电荷大多是相对静止的,它们不会产生磁场。我们在地球以外的宇宙空间中探测到的地球磁场就是由这些电荷随地球运转产生的。由于地球高空的这些电荷距地心较远,对地心中高导磁率的铁镍影响不大,所以在外层空间的磁场强度和方向主要决定于探测点附近震波带的性质。在不同的外层空间探测到的地球磁场的极性可能与在地面探测的相反,磁场强弱可能有起伏变化,甚至突变。在距地球较远的地方震波带中的电荷受地球的影响很小,这里的电荷不再随地球一起运转,地球的磁场就消失在这层震波带上,这里便是地球磁鞘。


三、地球磁场的变化

以上简略说明了地球磁场的产生,并以此解释了地理南北极与地磁南北极不重合的现象,利用这种理论可以完美的解释地球磁场的其他一些现象。

1、地球磁场的日变化:前面已经介绍了电场日变化的原因。那么地磁变化原因也是如此。

2、地球磁场的季节变化:由于阳光直射点即正垂点随季节南北移动,地球表层电荷密度的最大点也会随之南北移动,又因为季节变化世界各地的气候也在变化,这些都会影响地球表层的电流分布,所以地球磁场会随季节在变化,但由于地理形状不变,地球表层的电流不会发生很大的变化,又因地球内核距地面较远,地球表层电流的变化,不会对地球表层的磁感应强度产生较大的影响,所以地球表层的磁场也就不会发生太大的变化。

3、天气变化对地球磁场的影响:由于局部气候的变化,如洪涝、干旱、风暴、洋流、潮汐等都会使地表层的导电情况发生变化,地表层的电流分布也会变化;带电云层也会影响地面电荷的分布,带电云层的移动也会形成电流产生磁场。所以地球磁场也会随天气变化而变化。

4、地球磁场南北极的漂移:由于地球大陆板块的漂移、洋流的改变、海水电解度的变化南北极冰盖的进退等也都会影响地球表层电流的分布,从而引起地磁南北极的漂移。

5、地震对地电磁的影响:

由日本和俄罗斯组成的研究小组,分析了原苏联电离层观察卫星的数据,得出地震前,地震区域上空电离层的TEC会发生骚动,科学家们分析了19771979年的记录数据,发现在150次5级以上的大地震,震前这些地区上空电离层电子密度均高于正常值。

北海道大学的地球物理学教授日置幸介利用GPS(全球定位系统)卫星传输的电波,探明了电离层的电子密度变化。他发现,地震发生40分钟前,震源上空电离层的电子密度比周围区域增加了一成左右。据悉,2010年智利8.8级地震和2004年苏门答腊岛海域9.1级地震发生时,也有同样的现象出现。

不光高空电离层的电子数增加,郝建国
等学者经过20多年的检测,研究不同时间,不同区域,不同震级的数据资料发现,地震前近地大气电场也都向负方向异常变化。

可以肯定的是这些变化都是由地震引起的,因地震发生在地层下面怎么会使近地空间或者高空的电荷发生变化呢,显然不是地壳中的电荷跑到了空中去了,唯一可能的原因就是地面电势升高引起的。由于近地空间大气稠密,带电粒子运动时发生碰撞的几率高,近地空间大气的电阻率约是1013Ω˙m,是电的良好绝缘体。地震前后空气中净的正电荷无任何渠道进行消散,净正电荷会保持不变,也就是说近地空间的电势在地震前后不会有变化。发生变化的是作为参照系的大地电势。当大地电势升高时,大地与近地空间的电场就会变化,会向负方向变化。

震前近地空间电场的负变化这一现象,用过虑电势,压电效应等已知机制无法圆满解释。因为由于岩石应力变化,引起地层水流动的方向很不确定,不可能造成大面积的同性电压异常。同理,具有压电效应的岩石晶体排列也不可能大面积的趋于一致,也不会得到大面积同性电压异常。过滤电势,压电效应这些电势方向平行于地面不会影响到地面以上的空间,电势差也都很小只有零点几伏。更无法解释每次地震,近地空间电场都统一向负方向异常变化这一现象。

由北京大学王丽华等试验得知,岩石受到的压力增加时,其介电系数略有增加,破裂时介质的介电系数会大幅度减少,Δε/ε可达35%之多。由于大陆板块的漂移使地球的局部地壳应力发生变化,在将要发生地震的区域,其岩石首先发生分子层面的微破裂,大量的微破裂就会引起宏观展现,大区域的介质系数也会因此而发生变化,由地球表层、地壳和地幔组成的电容中,作为介质的地壳的介质系数发生了变化,根据电容公式C=εS/D,及C=Q/U,U=QD/εS,设Q不变时,可知其电容的容量也会发生改变,使容量减少,这一地域的电势就会增加。
地面正电势的升高,当把地面作为零电势参考电位时,空间电场必定是向负值变化。又因地震必定是岩石破裂所以地震发生前近地空间电场也必定会向负方向变化,这就揭示了郝建国
等学者,对地震前近地空间电场变化的机理。反过来也证实地球表层确实带有净的正电荷。

同样可以作证的是电离层电子密度异常增高。

我们把由地球表层、地壳和地幔组成的地电容看作是许多不同区域电容的并联,那么当将要发生地震区域的地电容电压升高时,与周围区域的地电容会形成一个电场,这是只有地震才产生的电场,为了有所区别,我们把这电场叫地震本征电场。由上面粗略估算得知地电容电势差是9万伏,若介电系数变化10%,那么地震区域与周边区域的电势就会升高9千伏,同样也会与近地大气层产生9千伏的电压,其电场的方向是向上的,与平时向下的120V/m电场叠加后,还有几十千伏向上的电场,因规定向下为正,所以我们测到的就是负异常电场,至此可解释地震前后发生的一些现象

(1)地震光现象

地震前地下岩石不可能一次全部破裂,大部岩石微破裂结束,还有部分岩石可能在地震发生时才会破裂。只要发生破裂,就会引起地面电势升高,如果破裂不是那么集中,地面电势的升高幅度可能不会很大,这时就不会出现地震光现象,如果破裂比较集中,地面电势升的很高,高的电压会使带电离子运动加速,当与气体原子碰撞后将其激发到高能级,原子能级跳回时,会发射出光子,由此出现地震光现象。

(2)高空电离层的电子骚动现象

  距地面60km以上的高空大气,受太阳高能辐射以及宇宙线撞击而电离成正负离子和电子,它们的相互碰撞又复合成中性粒子,分离和复合达到平衡时,使电离层中的电子保持一定的数量,衡量电离层的一个重要指标是电离层电子浓度总含量即TECTCE会受太阳风的影响,地球内部发生的地震怎么影响到高空的电离层呢,因素只有一个,那就是地面电场。当地面电势增高时,受地面电场的作用,电离层的电子会下沉一定距离,正负离子距离增大,当其他因素不变时,这时正负电荷碰撞的机会减少,电子数量增加。

当将要发生地震的区域应力增高时,地层的介电系数有所增加,那么就会使地面电势降低,高空电离层中的电子受地面正电荷作用力减弱,电离层电子数量会减少。

这一地震前电离层的骚动现象,首先被俄罗斯科学院航空宇宙监测科学中心通过多年研究发现,,后由日本和其他国家的科研者证实。现在利用卫星监测电离层的TEC变化,已成为各国地震预报的重要研究课题。

(3)近地大气电场负向异常现象

   在大气电场测量中规定,电场方向是垂直向下为正,向上为负。因近地大气的电阻非常大,近地大气中的电荷不会短时间剧烈变化,是相对稳定的。地震之前该区域地面电势的增加,等效于该地区域地面正电荷的增加(实际正电荷数没有增加),会产生一个垂直向上的电场,与原来大气电场方向相反,因地面电势升高的幅度远远大于静稳晴天的大气电场,所以地震前会出现一个负的大气电场,且幅度高达近千伏,与实测值接近。

(4)地电场异常现象  

将要发生地震的区域,在岩石发生微破裂时,作为地电容极板的地层电势升高,就会与邻近区域产生一个较高的电势差,就是上面说的本征电场,由于地震区域与周边区域的电势差很大。在几千公里之外都能检测到。

(5)地球磁场的异常现象

  由本征电场作用下,这一区域的电荷会沿电场方向向周边区域扩散而形成电流,这些电流会使局地地球磁场发生变化。这种由岩石破裂形成的电场和磁场,在地震之前被广泛的被检测到,现成为世界各国预报地震的主要手段之一。

(6)地层中的电磁振动现象  

岩石破裂的涨落,会使电势也发生涨落现象,经傅里叶变换会得到0.110赫兹的震荡信号。

岩层微破裂达到高峰时,岩石的介电系数减小到谷值,该区域的电势增高到最高点。岩层微破裂高峰过后,岩层不会发生位移,原因是一部分岩石还没破裂,岩石的静摩擦力大于动摩擦力,需继续积累应力。随着应力的增加,岩石的介电系数又会随应力的增加而增加,该区域的电势会急剧减少。此时电离层的电子浓度也会大幅度减少,这与实际观察的结果一致。利用这一现象可以进行地震预报。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image032.png

图十八,实测的地震前后地电场变化曲线

6、太阳活动对地球磁场的影响:在太阳耀斑、太阳黑子等太阳活动时太阳表层的电荷分布会产生变化,从太阳喷射出的带电粒子流也会到达各震波带,及地球附近,对地球的电离层,地球表层的电荷分布产生很大的影响,从而使地球磁场产生骚动。当太阳风中的带电粒子到达地球表层后,由于各粒子运动缓慢,正负离子不能很快的中和,其中的正离子会跟随正垂点运动,形成较大的电流,产生较强的磁场,随着正负离子的逐渐中和,正离子逐渐减少,电流也减弱,相应的磁场也减弱。除太阳风暴中的带电粒子对地球磁场的影响外,太阳表层聚集的某种电荷的电场也会对地球磁场产生影响。太阳有个11年的周期活动,地球磁场也跟随太阳活动周期变化。

7、地球磁极的颠倒:太阳的磁场大约11年会产生一次颠倒,22年一个周期,此外还有许多较长的周期变化。若在某个周期里太阳表层物质的总体运动方向改变,那么太阳中正负电荷受到的磁力方向就会改变,若太阳的磁场发生颠倒,正负电荷受到的磁力方向也会改变,若负电荷受到的力是沿太阳半径向外的,那么太阳中的负电荷将会被分离到太阳的色球层和日冕层,这时从太阳抛出的物质中负电荷的数量将会大于正电荷的数量,太阳中的负电荷数量就会减少,久而久之太阳中的正电荷数量就会大于负电荷的数量而使太阳带正电,直到达到某种平衡为止。。

在地球上虽然有地球磁场的屏蔽,但还是有一部分电荷落到地球上,由于地球不断接收从太阳飞来的负电荷,地球表层的正电荷不断被中和,正电荷不断减少。由于绕地球表层运动的电荷减少,因而地球磁场就会不断减弱直至消失。当太阳带正电荷时,太阳和地球之间的电场方向就会改变,这时地球表层的向阳面聚集的就会是负电荷,由电荷运动形成的电流方向发生了改变,地球磁场的南北极就会发生颠倒。

四、其他天体的磁场起源

其他天体磁场的产生原因与地球相似,若天体的内部或表层不能导电(如温度低物质没有电离、没有水或其他的电解质等)如火星;或者天体的自传速度慢,如金星,或者天体的内部没有相对导磁率较大的物质;那么该天体就不会有较强的磁场,只有天体表层少量的电荷随天体运动所产生的微弱磁场。如水星,金星,火星,月球等。若天体的内部或表层能够导电,并自传的速度较快,那么该天体就会有较强的磁场。如木星、土星及天王星、海王星等。天体上的电荷不一定沿天体的纬线运动,它主要是沿导电能力较强的低电阻区域运动,所以形成的磁场的轴不一定是直线,也可能是弯曲的,磁场轴也不一定和地理轴重合,有时会有一个较大的夹角。如海王星的地理轴与磁轴的夹角达50°以上。若天体的导电区域是孤立,不能形成一个环绕星体的闭合回路,那么很有可能会形成几个涡流,并各自形成一个磁场,这可能就是有些星体有许多个磁极的原因。


从以上分析可看出地球的磁场与太阳密切相关,地球内部、地球表层及地球周围空间电荷的运动,是在太阳电场力的作用下产生的,若没有太阳地球上不可能聚集大量的电荷,即是有电荷,没有太阳电场力的作用,地球上的电荷也不会产生绕地球的运动,从而也就不会产生地球磁场。维持地球磁场的能量来源是太阳与地球的静电作用力和地球的自传动力。

目前还没有一种假设能如此全面合理的解释地球磁场及其他天体的磁现象,并且有大量的观测资料来佐证,说明此假设已接近于真实情况。到目前为止以上的地球磁场起源理论是最为接近事实的,它能解释地球磁场的所有现象。


参考资料

1.《地球概论》
陈自悟著
高等教育出版社出版。19977月第3版。

2.《行星
恒星
星系》  S·J·英格利斯著
李致森等译
。科学出版社出版。

3. 《地震地磁观察与研究》2011年10月第5期【新沂地电场变化特征及频谱分析】张彩霞等著。

4《地球物理学报》2013年7月57卷第7期【中国大陆经纬链地电场日变化】催腾发等著。

5.《地球物理学进展》2008年8月23卷第4期【地球电场与地球磁场的形成机理】邹润莉著。

7《岩石样品破裂过程中的介电常数》中国地球物理学会学术年会,1993,王丽华,孙正江。

8《太阳宏观电场测量进展》2011年天文学进展,中国科学院国家天文台,苏江涛等

9《地电场与电法勘探》2005年李金铭

10《自然电场法预测地震》中南大学出版社仇勇海等

11《地电场短临预报方法研究》地震杂志2005年第二期,中国地震局研究所,钱复业等。

12《准电场异常与地震》地震地磁观察与研究,2000年第四期,中国地震局地理研究所,郝建国等。


13《三维试验粒子轨道法在磁层粒子全球输运中的应用》空间科学学报,曹鑫 , 吕建永 , 杨志良

14<<太阳纯电子事件和质子-电子事件的电子能谱的机制>>中国科学院空间科学与应用研究中心
中国科学院空间科学与应用研究中心曾海生
黄永年

15《太阳质子事件预报进展》中国科学院空间科学与应用研究中心,中国科学院北京天文台,叶宗海,薛丙森等

16《太阳质子事件研究进展》中国科学院国家天文台
何玉林
王华宁

17《论固结地壳电导率的性质》宁夏地震局,梁金仓译

18《大陆下地壳高电导率的起源:矿物中的结构水.pdf》地球科技进展2006年一月。
中国科技大学地球空间研究院杨晓志等

19《银河系自转与地球冰期变化的关系初探》
福建地理2004,第6
张煌

20《深井电极与地表电极的自然电场对比研究》

《地震》200001,北京市地震局
郑洪等

21《震前电离层TEC 异常扰动统计分析》大地测量与地球动力学
中国地震局地震研究所 201010月,祝芙英

发表于 2022-7-16 23:38 | 显示全部楼层
      陈先生您好!
      我对您的观点很兴趣,不知是否可以跟您进一步交流?
      我的电话13888249333.期待回复。谢谢!
      顺致好!
                             云南段灿光

                              2022年7月16日
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册register

本版积分规则

小黑屋|Archiver|地震坛 ( 京ICP备14033744号 )

GMT+8, 2022-8-9 16:22

Powered by Discuz! X3.4

Copyright © 2001-2021, Tencent Cloud.

快速回复 返回顶部 返回列表