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地球磁极倒转现象及其应对方案何小东班级：11级物理四班学号：201172010413地球磁极倒转现象及其应对方案 【摘 要】：1.地磁场产生的原因2.地球磁极倒转事件及倒转周期 3.地球磁极倒转原因的各种假说 4.磁极倒转的后果 5.关于如何应对磁极倒转的一点想法【关键词】：地磁场 磁极 倒转 电层旋转 一.地磁场产生的原因 地球存在磁场的准确原因还不为人所知，普遍认为是由地核内液态铁的流动引起的。一个行星要具有磁场，就要求它既具有足够快的自转速度，又具有熔融的铁磁体核心。此理论与太阳系中一些行星的磁场状态相符合，如金星旋转速度极慢（自转周期243天），即使它具有熔融铁磁体核心，也不能形成磁场（金星是太阳系中唯一无磁场的行星），而地球、火星既具备足够快的自转速度（地球自转周期23小时56分、火星自转周期24小时37分），又具备熔融铁磁体核心，故能形成磁场。然而，铁磁质在770（居里温度）的高温中其铁磁性会完全消失。在地层深处的高温状态下（远高于770），铁是不可能具有磁性的。因此，关于地磁场的产生还有另一种解释：高温、高压中的物质，其原子的核外电子会被加速而向外逃逸，地核在6000K的高温和360万个大气压的环境中会有大量的电子逃逸出来，地幔间会形成负电层，而地球自转必然会造成地幔负电层旋转，磁场由此而生。关于地磁场产生的原因，还有很多理论，但都还不够完善。目前比较公认的是上面提到的第一种。二地球磁极倒转事件及倒转周期1967年科学家斯蒂纳提出，地磁场极性的变化，与地球随太阳系环绕银河系中心的运动有关，太阳系绕银河系中心运行一周的2.74亿年中大约要上下往复三次多，平均往复一次的时间0.77亿年即为地球磁极倒转周期；英国自然杂志刊登的一篇文章称：从大约6亿年前的前寒武纪末期，到约5.4亿年的中寒武纪，是反向磁极为主的时期，从中寒武纪到约3.8亿年前的中泥盆纪，是正向磁极为主的时期，中泥盆纪到约0.7亿年前的白垩纪末，还是以正向磁极为主，白垩纪至今，则是以反向磁极为主；英国地质学家亚兰托马斯教授提出：从前地球磁极大约每隔25万年翻转一次，自上一次地球磁极翻转以来，地球磁极已有100万年没有翻转了，下次地球磁极翻转也许等不了多长时间；英国利兹大学的地磁学专家安迪杰克逊博士提出：地球磁极倒转一般每隔50万年出现一次，但自上次发生后，已有75万年没有出现过了；华盛大学的科学家罗纳德麦里尔提出：地球磁场两次翻转的时间间隔最短在23万年间,最长可能是5万年;美国科学家布德福克莱门在分析了世界各地区取来的地层沉积样本，这些沉积样本分别属于四个不同地理历史时期，它们残留有当时地球磁场的信息，通过对这些样本的分析推测，地球磁场完成一次颠倒大约需要7000年。三. 地球磁极倒转原因的各种假说虽然对于地球磁场倒转过程需要多长时间，科学家的研究一直处于猜测状态，从几千年到近亿年的都有，但是，地球磁极的漂移和倒转却是不争的事实，对于地球磁极倒转这件威胁到人类生存的大事件，到底是什么原因造成的，科学家提出了各式各样的假说。1967年，科学家斯蒂纳提出，地球磁场极性的变化，与地球追随太阳环绕银河系中心的运动有关，银河系中心也存在一个磁场，它集中在银道面上，并在银道面上呈相反方向，当太阳系在环绕银河系中心运动时，会在银道面上下作波状起伏运动，造成地球磁极反复颠倒；1989年，在美国巴尔的摩举行的全球气候变化和环境污染国际研讨会上，美国科学家缪拉提出了气候变化导致地球磁极倒转的见解；另有文章提出是地球外核内部的熔融铁流（以约1米/小时的速度缓慢前行）导致了相对磁极彼此倒转。关于地球磁场的形成及地球磁极倒转的假设虽有许多种，但目前大多数科学家比较一致的意见是：地球磁场是地球内部液态铁质围绕着地核心旋转产生的，当地球内部的液态铁流发生某种变化时，就可能导致流动方向的180度旋转，使地球磁极发生颠倒。这些假说虽然似乎有些道理，但又都经不起仔细推敲，如外星撞击导致地球磁场倒转，则地球在历史上应正反倒转过几回或转速曾有过大的变化，显然经不起考证；太阳系绕银河系中心旋转时，是否沿银道面上下波状运动毫无证据，也不太可能；至于气候变化和熔融铁流的缓慢前行导致地球磁极倒转更缺乏说服力。因此，地球磁极倒转的原因至今还是一个谜。 四. 磁极倒转的后果正常情况下，由于地球的磁场对运动带电粒子的偏转作用，宇宙辐射粒子中的大部分无法到达地面。然而地球两极倒转过程中一旦地球磁场消失，这些太阳粒子风暴将会直接射向地面，破坏生物的DNA结构，诱发大规模的基因突变，对包括人类在内的一切有机体产生致命的损害；许多与地球磁场关系紧密的生物，如利用地磁场导航的燕子、羚羊、鲸鱼、鸽子和趋磁性细菌等，都会迷失方向；另外，大多数电子仪器将会失灵或损坏，正常的电磁通讯将会无法进行。总之，地球磁极倒转造成的后果相当严重，很多人甚至怀疑，历史上的几次大的物种灭绝以及人类文明的毁灭性中断，都与地球磁极倒转有关。五. 磁极倒转的应对措施既然磁极倒转的后果如此严重，又很有可能在可预见的将来内发生，那么，我们显然不能坐以待毙。关于如何应对，我有以下两个想法： （一）人工制造环形电流地磁场的形状与环形电流产生的磁场形状大体类似，因此，我们可以考虑用一个围绕地球的人造环形电流来替代地磁场，在磁极倒转导致地磁场消失的过程中起到模拟地磁场并屏蔽宇宙射线的作用。然而，这将是一个浩大的工程，所需要的电流也是比较大的。通过查资料可知，地球表面的磁场强度约为 ,地球半径约6400km，假设该人造环形电流位于赤道，且足以在北极点产生出 的磁场强度，由电磁学与电动力学（上册）第122页例5.2的结论，知载流圆环线圈在轴线上一点产生的磁感应强度的公式 代入=，=， 可得 这是一个相当大的电流值，如果应用现有导电技术，不但要耗费巨大的能量，而且光是电流传导产生的焦耳热就已无法处理。应用超导体可以有效解决这一问题，然而，现阶段的超导技术还不成熟，超导体造价昂贵，对温度条件的要求也比较苛刻，因此，这一设想何时能够实现，还有赖于超导工业的发展。另外，若是将此超导线圈安放于赤道表面，则其周围的强大磁场会对赤道附近的人类的正常生活产生严重影响，因此，这种想法的可行性值得商榷。 (二)利用地球的自转使电荷运动形成电流 由于地球的自转速度很快，所以只要使地球表面带上正电荷（或负电荷），就会在自转时形成环形电流，从而模拟地磁场。现假设地球表面均匀带有电荷，总电荷量为q，地球自转角速度为w，由电磁学与电动力学（上册）271页习题5.9的结论，知地球内（包括地球表面）转轴上任意一点的磁感应强度为 如果同样要求在北极点产生出的磁感应强度，那么将， =，（为地球自转周期）代入上式，可得尽管这个电量也是比较大的，但可以通过较长时间的积累来实现。然而，我们知道，地球整体上是电中性的，要想获得额外的净电荷，需要从外太空寻找来源。为此我们可以在太空中安装一些类似质谱仪结构的装置（详见电磁学与电动力学（上册）140页图 5.21），将宇宙射线中不同种类的带电粒子分离开，用来收集单一电性的粒子（如质子或是电子），再把它们转移到地表来，储存在地面上某些特殊装置中（也可以考虑储存在大气中或海洋中）。这样，地球表面就带上了净电荷，自转时就会产生环形电流。与上一种构想相比，该方法可行性稍强，技术要求也较低，但收集到的电荷，仍不是一件容易的事。 以上两种方案只是我的粗浅构想，鉴于其工程规模，在实际操作中一定会遇到