中微子地球演化说

1、中微子地球演化说地球演化的能源来自何方？张国文我们脚下的地球内部如同一个滚烫的“炼钢炉”燃烧了数十亿年，虽然地球每年以火山、地震和地表热流等形式损耗的能量达10万亿亿焦耳，比全球迄今为止开采并消耗的煤炭所释放的能量还要多，但是地球内部的温度丝毫没有下降的迹象。那么，是什么物质数十亿年来为地球内部的“炼钢炉”提供了源源不断的能量呢？这篇文章将告诉你一个石破天惊的答案！1 引言 迄今，我们所熟知的一些地球运动和现象，如板块运动、地球磁场的起源、钱德勒晃动以及地球自转的其他不均匀运动、地震和火山活动、地球内部的分层和热运动、地热流等等，其能量来源都不很明朗，而在地球的形成和一系列演化过程中，能量的产

2、生、迁移、转化和消化起着决定性的作用，可以说找到了地球演化的能量来源就等于解决了地球科学的主要问题。中微子地球演化说1通过研究太阳中微子和地球内部的圈层构造，提出了地球演化的能量来源于太阳中微子的观点，为揭开地球演化的一系列运动机制提供了全新的思路和线索。 2 地球内部圈层构造的成因 地球的内部和其外层大气虽然在相态、密度和化学组成等方面有较大差异，但是它们却有一个共同点，即都呈现圈层结构。那么，地球这些从内到位的圈层构造是如何形成的呢？2.1 大气圈层的构造及其成因 研究表明，地球大气的温度、组成和电离程度等随海拔高度而变化，呈现出明显的圈层结构。如果按大气温度随高度的变化分，则可把大气层分

3、为对流层、平流层（包括臭氧层）、中间层和热层；如果按大气的电离程度分，则可将大气层分为中性层和电离层。大气的这种圈层结构是由于各种宇宙射线和不同频率的太阳辐射，分别在不同的高度与大气物质作用的结果。例如高层大气物质吸收带电粒子，形成电离层；在距地面1050千米处，大气吸收紫外线，形成臭氧层；在靠近地表的底层，大气吸收可见光和红外线，形成对流层等等。当然，大气层的圈层构造并不是一成不变的，而是随着宇宙线和太阳光的强弱而发生起伏变化。例如，经过整整一个白天太阳辐射的影响，电离层在黄昏时最强；在夜晚太阳辐射消失，一些离子便与电子复合而使电离层变弱，至黎明电离层最弱。因此，如果没有宇宙射线和太阳辐射的

4、维持,大气分子的热运动将导致大气层逐渐变成均匀体,大气的圈层结构就会完全消失2。 2.2 地球内部的圈层构造及其成因地质学家通过地震波研究发现，地球内部跟其外层大气一样也呈圈层构造，由地表往里看，大致可分为地壳、地幔、外核和内核。地壳在陆地平均厚度为35km,在大洋处非常薄，只有5-10km,；自地壳以下至2900km处为地幔，在地幔中的70150km深处，震波传播速度减弱，形成低速带，物质呈塑性，可以产生对流，称为软流圈；地幔向下到大约5100km处地震横波不能通过，为液态外核；5100-6371km又转化为固态，称为内核。那么，地球内部的这种圈层构造是如何形成和保持的呢？ 对地球内部圈层构

5、造的成因有两种传统的解释3。一种是热起源说，一种是冷起源说。前者认为，原始太阳系是由灼热星云不断收缩聚集而形成的，初始的地球是熔融的，在逐渐凝固的过程中，重的熔点低的铁镍等金属物质则下沉，轻的难熔的硅酸盐上浮，于是就形成了圈层构造。后者认为，地球从星云盘中的尘埃集聚成为行星时，是一个近似均质的球体，各种物质混杂在一起，没有明显的分层，是冷的。之后，由于地球物质的集聚动能转化的热、地球收缩的位能转化的热以及放射性元素在蜕变中释放的热等等，在这些热能的作用下，地球内部开始熔融，轻重物质逐渐分异，这样就形成了现在的圈层构造。研究发现，地球是冷起源的，所以第一种观点就被否定了。而第二种观点无法解释内核

6、为何是固态的，且软流圈是近似液态的。我们认为地球内部的圈层结构与大气的圈层构造一样，也起源于外部粒子（或射线）与地球物质的作用。如果没有外部输入的能量的维持,地球的内部圈层结构就不可能形成，并在漫长的地质年代保持相对稳定。例如，陆壳与洋壳的厚度很不相同，如果没有外界能量的补充，板块的运动及海陆的交替变化将导致陆壳与洋壳的差别完全消失，但实际上这种差别一直存在。那么,是什么粒子或者宇宙射线能深入到地球内部并且供给地球能量呢? 能够为地球内部各圈层提供能量的粒子或射线必须满足两个条件：一是其穿透性极强，能够轻松地进入地球内部；二是其通量足够大，能够为地球演化提供所必须的能量。通过对各种基本粒子和宇

7、宙射线进行研究，我们发现，只有太阳中微子满足这两个条件。据此，我们认为，来自太阳的快中微子进入地球后,就被地球物质散射、减速而消耗能量,慢慢地就变成频率或速度与原子核中的中微子相近的慢中微子，最后被地球物质吸收，并释放能量。由于太阳中微子的速度(能量)不同,而且各种能量的太阳中微子的分布也不均匀，即处于某种能量的中微子相对多一些，而处在另一种能量的中微子则要少一些，所以它们被减速、吸收的位置和形成的热效应也不一样,于是就形成了地球内部的圈层结构。少量太阳中微子能量较低，经过岩石圈减速就变成了慢中微子，并与岩石圈以下的物质作用，释放一定能量，使少量物质熔融，形成软流层。多数快中微子必须经过整个岩

8、石圈和地幔才能被减速成慢中微子，在地表以下29005050千米处被吸收，释放巨大能量，导致物质熔融，形成液态外核。液态外核产生磁场，进一步加剧中微子的减速和吸收，释放更大的能量，这个能量又加剧了外核的熔融，这就是液态外核形成的根本原因4。3 中微子与地球物质的作用3.1 中微子性质中微子是奥地利物理学家泡利（W.Pauli）预言的一种不带电、静止质量极小或为零的中性小粒子（1930）5。过去，物理学家认为，中微子只参与弱相互作用，因而绝大多数中微子能够轻而易举地穿过地球以及其他任何行星和恒星。但是，近年的研究发现，中微子存在微小的静止质量6，甚至还有磁矩和电荷7-9，所以它并非只参与弱相互作用

9、，实际还受万有引力和电磁力的作用。目前，科学家研究归纳了以下几种中微子参与的作用 10： 康普顿散射：(高能) + e-（低能） （低能） + e-(高能) 中微子生电子效应： + (Z,A) e- + (Z+1,A) 中微子韧致辐射：e- + (Z,A) e- + (Z,A) + 中微子对湮灭生成光子：+ （光子） 中微子对湮灭生成电子对：+ e+ + e- 电子俘获： + e- + (Z+1,A) (Z,A) 其中，(Z,A)表示核子数为A，原子序数为Z的元素。当然，以上只是人们发现和研究了的作用，可能还有其他人们没有发现的作用，譬如，假如中微子有磁矩或电荷，那么就还会产生切伦科夫辐射11

10、等等。3.2 中微子性质再研究中微子是一种幽灵般的神秘粒子。迄今为止，有关中微子的探索还在继续，而人们对中微子已有的所谓性质和特性的认识也都是间接获得的，因而并非是确定性的 6-8,12-14。因此，对于中微子的认识，我们不应该拘泥于已有的成见。 为了弄清中微子的性质，这里我们将中微子与中子进行类比。之所以将中微子与中子类比，是因为它们都是原子内的中性粒子。费米(Enrico Fermi)（1934）发现，中子与带电粒子相比，有一个非常独特的性质，即运动速度快的中子反应截面反而小，运动速度慢的中子反应截面反而大。例如，用中子照射0.75毫米的镉片，当中子的速率很快，能量超过0.4ev时，中子可

11、以畅通无阻地穿过镉片，当中子的速率较小，能量小于0.4ev时，中子就会被镉片全部吸收15。据此可以预见，当中微子被减速，使其运动速度（或频率）慢到与原子核内的中微子相近时，它便更容易参与反应。因此中微子应该有与中子相似的特性，即快中微子或者说高频率的中微子反应截面较小（不易与物质作用），但是经过一定物质散射、减速，频率变低或速度变慢的中微子反应截面则较大（更容易与物质发生作用）。 况且，地球内部物质处在高压、高温环境下，有的是晶体，有的是液体，还有的处于等离子状态，中微子是质量极小的粒子，其衍射应该比质量大的电子更明显16，所以，太阳中微子进入地球后，将与地球物质发生一系列复杂的作用。这些作用

12、既有人们发现和认识到了的，也有人们还没有发现和认识的各种作用。通过这些作用，太阳中微子把能量源源不断地传给了地球物质，由是导致了地球的各种运动和演化。3.3太阳中微子的通量太阳的能量来自太阳内部的热核反应,主要是氢（质子）的核聚变，这种反应同时产生大量中微子，向四周辐射。标准理论预言，在由四个质子（P）转变成一个氦原子核的过程中要释放两个中微子。太阳中微子抵达地球表面时的通量为1,17: F（）=2L/25（MeV）4（A）23.51012（中微子厘米-2秒-1）到达地球的太阳中微子总能量为：E = F（）每个中微子的能量=3.51012中微子厘米-2秒-10.42MeV中微子-1=1.471

13、012MeV厘米-2秒-1一年内到达地球的太阳中微子的能量为：E= E地球横截面积一年的时间=1.471012MeV厘米-2秒-1r2厘米2（365.25246060）秒=5.9251037MeV=9.481024 J(焦耳)这个能量是地球每年以火山、地震和地表热流等形式消耗能量（约1.0661021焦耳）的数百倍。所以，只要有百分之零点几的中微子被地球吸收，就足以为地球的各种演化提供能量。 4 中微子与地球演化4.1 板块运动的机制 中微子的最大吸收处是外核，大量太阳中微子在此处被源源不断地被吸收而释放能量，使外核成为整个地球的能量源泉。这个能量源泉也是板块运动的动力来源5,18。具体地讲：

14、 第一,少量来自太阳的中微子在岩石圈的上地幔被吸收，释放一定的能量，使此处的物质熔融，形成一个具有流动性的软流层。坚硬的岩石板块就“漂浮”在这个具有流动性的软流层上。软流层的作用类似润滑剂，可以大大降低岩石板块和整个地幔之间的摩擦力。这样，当有一个足够的横向（水平）力强加在岩石板块上时，岩石板块就能够相对地幔发生移动。第二,大量太阳中微子在地球外核被吸收，释放出巨大的能量，结果地球内部物质达到极高温度而膨胀。膨胀力撕裂地幔，高温熔融物质从裂缝向上流，在抵达具有一定的流动性软流层时，变为水平方向流动，并呈放射状扩散开去。扩散的流体在水平方向强加给岩石板块一个巨大的粘拖力，拉动板块移动，从而使附着

15、在岩石板块上的大陆发生漂移。 在大洋中脊，地球内部热物质上涌，会填充到板块移动后所形成的裂缝间而形成新的洋壳。新洋壳与老洋壳板块焊接在一起继续漂移，在原来裂缝处又产生新的裂缝，地球内部热物质又溢出再形成新的洋壳，新洋壳与老洋壳又一起漂移，于是又出现新的裂缝，如此反复，就形成了海底岩石年龄的条带状分布19。 4.2 地球磁场的形成由于地球在不断地自转，所以在不同的时间抵达液态外核各处的太阳中微子并非完全一样；向着太阳一面的外核有大量的太阳中微子进入，而背着太阳的一面的外核则几乎没有太阳中微子进入，所以地球外核各处吸收的太阳中微子也不完全相同，由是导致外核的能量分布不均匀，亦即在外核存在温差，吸收

16、中微子多的一面温度高，吸收中微子少的一面温度低。这一温差必然导致外核液态物质从一面流向另一面，从而形成了绕地轴的环流。由于轻的电子以及其它负离子的运动速度快于正离子，液态外核的环流首先牵引着带负电离子和电子运动，于是就产生了电流和磁场。由于地球内部熔融物质的环流跟大气层的空气（风）流动一样，是由温度差或压力差造成的，所以它的环流方向和速率也跟风一样在不断地发生变化。也就是说，地球内部的热环流既可以绕自转轴由东向西流，又可以由西向东流。热环流的方向改变了，其电流方向也随之发生变化，这样磁场就发生了倒转（南北极互换）。在地球表面，空气的粘度极小，约为10-5泊， 空气绕地球一周所花的时间为数天至数

17、星期，所以天气和风向的变化周期一般为数天至数星期。而地球内部物质的粘度比空气要大得多（如熔融铁的粘度约为105 泊），所以地球内部熔融物质环流方向的变化周期也相当长，以百万年之千万年计。另外，当液态外核的环流产生磁场后，地磁场将会反作用于带电的外核物质，使外核物质的环流方向偏离原来的方向，进而使整个磁场的方向也发生变化，由是导致了地球磁极的不断漂移。假设起始时外核液态物质环流速度为U1，对应的地磁场为B1；B1反作用液态物质中的带电离子，由于轻的电子以及其它负离子的运动速度快于正离子，使游离电子和负离子以速度U2沿磁力线方向的反向快速运动，游离电子的运动又带动带正电的离子运动，从而迫使整个外核

18、液态物质沿磁力线方向的反向运动。这样整个外核物质的环流方向就发生了偏移，如图所示，偏移后所形成环流速度U3由U1和 U2所决定。也就是说U3是U1和 U2的矢量合成，即U3=U1+U2。由于磁场是由带电液态外核环流所产生的，环流方向发生了偏移，磁场也会改变方向，即形成了新的磁场B2。反映在地球上就是磁极发生了移动（如图）。U3对应的B2又会作用外核液态物质，使环流速度再次发生偏移，又形成一个新的环流U4，U3与 U4合成U5，即 U5= U3 +U4，U5又产生磁场B3如此反复，便导致了磁场的不断变化和磁极的不断漂移。5 太阳中微子被吸收的证据5.1 实验证据 研究人员在对太阳中微子进行数十年

19、的探测过程中发现，如果按照太阳中微子可以畅通无阻地穿过地球的传统观点和太阳标准模型预测，那么实验所探测到的太阳中微子数量只有理论值的一半6,9,12，这就是困扰科学家多年的太阳中微子失踪问题。后来，一些科学家提出了中微子振荡理论来解释太阳中微子失踪问题，他们认为，太阳中微子（电子中微子）在从太阳奔向地球的过程中，一部分发生了振荡，变成了探测不到的别的中微子，因而其数量有损失。 按照中微子地球演化说的观点，只有白天，才有太阳中微子通过实验探测装置，在夜晚由于地球物质对太阳中微子的吸收，不会有太阳中微子不能抵达实验探测装置，所以，实验探测到的太阳中微子只有理论值的一半左右。5.2 地球上的证据 物

20、理学家早就发现，在透明物体中运动的带电粒子，如果其运动速度大于光在在该物体中的运动速度，就会产生契伦科夫辐射11，消耗能量。地球上有大片海洋，海水基本是透明的，中微子在海洋中的运动速度与光速相当，大于光在海水中的传播速度（光在海水中的传播速度为u=c/n=c/1.333=0.75c,其中，c为真空中的光速，n是光在水中的折射率）。这样，中微子进入海洋后，除了被物质的原子与电子等散射外，还要产生契伦科夫辐射，额外消耗能量。因此，如果中微子有磁距或电荷，且在穿过地球物质减速其频率或能量变低后，能够与地球物质作用而释放能量，那么，中微子在大洋下面应该先于在陆地下面变成慢中微子，也就是说，中微子大洋下

21、面被吸收的距离应该小于其在陆地下面被吸收的距离。事实正是如此！经过地球物理学家探测，地壳在陆地的厚度为35公里左右，在大洋只有约8公里。地壳下面是近似液体状的软流层，为中微子被大幅度吸收的第一处。海洋的平均深度大约3公里，这就是说，3公里深的海水对中微子的减速相当于27公里厚的陆地！5.3 天体上的证据 一般行星的原子和电子同样能散射中微子，因而中微子也应该能够被其它行星吸收。当然，中微子被行星大幅度吸收必须满足一定的条件，那就是行星的直径（或体积）和密度必须满足一定的值，使之有足够的原子和电子散射中微子，使中微子减速变成易于被物质吸收的慢中微子。如果行星直径太短，密度太小，那么当中微子穿过行

22、星时，与中微子作用的原子和电子的数量就不够多，中微子的能量消耗就不足以使其变成易于被吸收的慢中微子。这时，中微子就会畅通无阻地穿过行星而不被吸收。如果行星的直径和密度达到一定的数值，中微子碰撞的原子和电子足够，那么，中微子就可以减速并变成慢中微子，从而被行星物质吸收。 我们知道，地球大幅度吸收中微子的地方在地下29005050km的外核。倘若不考虑行星的密度，那么可以预见：如果天体的直径介于29005050km之间，那么太阳中微子从一侧进入天体，就会在天体另一侧的表面与物质发生作用，引起天体表面物质熔融，从而在该天体的表面留下痕迹。 在太阳系中，水星和月球等天体的直径正好处在29005050k

23、m之间，所以水星和月球等天体表面一定留有物质熔融的痕迹。通过研究，我们发现水星和月球等天体上的环形山就是其表面物质熔融向并下渗透或塌陷而形成的。目前较流行的说法是环形山是死的火山口或陨石撞击形成的坑。这两种观点均不能解释下列事实：（1）月球环形山的直径几乎连续地分布在数毫米到数百千米之间，而且都呈正圆形状；（2）两颗陨石撞击天体的同一地方的几率几乎为零，但月球上环形山中套环形山的现象比比皆是；（3）有的环形山具有同心环结构，它类似水库堤坝长期被水浪侵蚀而形成的可以反映水位高低变化的梯形层状结构。用太阳中微子与月球作用，则能轻而易举地解释上述现象。 由于太阳和月球的运动，中微子的辐射不可能在某一

24、地点保持不变，当太阳和月球的位子发生变化后，原来发生熔融地方的中微子辐射就会减少，这时此处物质对中微子的吸收便逐渐终止，熔融的物质也开始凝固。然而，经过一个周期后，太阳和月球又会回到原来的相对位置，于是太阳中微子又在此处被物质吸收放热，导致物质熔融，并再次引起表面物质坍陷，如此反复，就在月球表面形成了许多同心环结构。当然，环形山的形成应是日积月累的结果，而决非一时所成，直到现在，一些环形山也应还在形成之中。同时，环形山的形成过程是一个剧烈和大面积物质熔融过程。在这个过程之中，必定会产生一些射电现象，发出红外线甚至可见光。像月球这样离我们很近的天体，如果有这样的发光现象，我们人类一定会有所察觉。

25、事实确实如此。到目前为止，人们已观察到月球发光等短暂现象数以千计20，只是人们一直不知道这些发光现象的真正来源而已。6 结束语 本文所提出的理论还只是一种假说，有待实验进一步地验证。该理论能否被广泛接受，关键在于对中微子性质的理解和探索。目前普遍认为中微子只参与弱相互作用，其反应截面非常小，它们能够轻而易举地穿过地球。然而，这种观点并没有得到实验的完全证实。况且地球内部物质处在高温、高压和等离子状态，这种环境如同原子内部环境，中微子与物质发生作用也是必然的。 当然，也许还有其他未知的粒子为地球演化的提供了能量，我们目前还不知道，但是不论怎样，所有的粒子为地球提供能量的原理或机制则是基本相同的。参考文献1 张国文.中微子地球演化说M.武汉：武汉测绘科技大学出版社，1999:209-223,54。2 中国大百科全书,固体地球物理学 测绘学 空间科学Z.中国大百科全书出版,1985:186-187，211-218，221-222. 3 李金宝.地球内部物理圈层形成演化模式，中国科技信息,2005（12）:34-354 季淑莉.中微子的发现.物理，1999（7）：54-5