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背景知识:令科学家着迷的地球磁场

http://www.sina.com.cn 2000年06月08日 19:12 来稿

  更深地了解地球磁场的发展,是爱因斯坦归为物理学领域尚未解决的重大难题之一。如今,借助超级计算机以及最近公布的关于地球磁场80万年来的变化情况,研究人员已经比以往任何时候都更接近于接开这个谜。

  根据上述研究成果,科学家们也许能够找到引起气候变化、物种灭绝、磁层强度波动以及可能表明地球表面的大气层的各种变化余地和活动之间有联系的其它事件的线索。

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  圣克鲁斯加利福尼亚大学从事地球科学研究的加里·格拉茨梅尔教授说:“我们正通过计算机模拟创造一个与地球磁场非常相似的磁场。科学家们用了很多年时间提出了描述地球磁场活动方程的数值解法,我们已接近于揭开地球磁场的奥秘。”

  磁场奥秘寻踪

  科学家们一直对有关地球磁场的几个问题感到迷惑不解:按照科学家的计算,由于地核的高温和它具有的导电性,地球的磁场在它形成两万年之后就应该消耗殆尽。以往建立的地球磁场模型无法解释地球南北两极的磁场平均每20万年出现一次反向。科学家不明白为什么地球的磁场集中在两极,而不是比较均匀地分布在地球各地。

  根据上述推断可以得出这样的结论:地球内部肯定存在某种可以使磁场力再生和改变方向从而导致南北两极出现磁反向的机制。科学家提出的理论认为:是地球内部的对流运动驱动着地核内的“磁发电机”。

  简言之,由地球内核向外核的热传输,以及外核化学成分的变化,导致地核内的液态物质旋转和运动。

  科学家们4年来已利用计算机模型解开了其中的一些奥秘。直至本世纪90年代以前,计算机还不具备建立这类模型所需的计算能力。1995年,格拉茨梅尔和洛杉矶加利福尼亚大学的保罗·罗伯特教授一起,借助超级计算机建立了地球磁场发电机的第一批物理模型,采用数学方法模拟地球磁场。

  通过这些模型的模拟,内地核比外地核及地幔的旋转速度更快。这就有助于解释地球磁场的强度——就像发电机的电动马达那样通过转动产生电荷。

  格拉茨梅尔和罗伯特建立的计算机模型还显示,磁场围绕地球南北轴心形成两端带有相反电荷的圆柱形,从而揭示了地球两极磁场形成的原因。

  这些模型还显示,外地核的流体运动实际上是与磁场相互交织并切割磁力线,从而产生了一个新的磁场,以替代已耗散的部分磁场。

  新的研究方向

  在格拉茨梅尔等人通过建立计算机模型开展研究的同时,地质学家们也一直在搜集取自地球深处的物质地球深层样本,试图解答关于地球磁场的同样问题。

  地球深层物质中含有的富铁矿物如同指南针的指针一样,表明磁极的方向和穿过南北极轴线的磁场强度。通过确定物质的年代,并将其与地球磁场的方向和强度加以对比,便可重现地球磁场的历史。

  地球磁场的历史表明,地球磁场的强度在每次出现两极反向之前的几千年中大大减弱。地质学家让·皮埃尔·瓦莱说:“在变化曲线的最底部出现两极磁反向时,地球磁场的强度十分微弱,以至于有些人认为,地球在此期间得不到磁层的保护。”

  瓦莱博士称,迄今还没有找到物种因受到太阳风的影响而大规模灭绝与磁层的减弱有任何关联,诸如冰期出现等气候变化与地球磁场的变化之间也没有任何决定性的联系。

  但是,地球磁场的急剧变化无疑会对我们周围的物理环境产生影响。事实上,这种变化可能已经发生。科学家们指出,近150年来地球磁场强度一直在不断减弱,以至于有些人估计,地球磁场的又一次反向已经开始。(山东省莱州市图书馆潘黎编译)


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