地球磁场是怎样产生的?

对地球磁场起源的探索,早在公元1600年前后就已经开始了,其主要假说有永磁体说、电流说、压电效应说、发电机理论等,其中永磁体说被铁、钴、镍的居里点实验否定,电流说由于电阻问题而被人们放弃,压电效应说由于其实验值都是在常温下获得的,据此推出的磁场强度微不足道而被人们抛弃,发电机理论由于不能说明南、北磁极翻转而受到质疑.那么,地球的磁场是如何产生的呢?
只有存在运动电荷或电流才能产生磁场,因此,地球磁场应该与地球内部的带电结构有关.但是,地球磁场的南北磁极还存在着一种小范围的低速运动,这种运动表明地球磁场不仅仅是地球内部的带电部分作旋转运动产生的,在地球内部还应该存在着一个相对稳定的内部电流.但地球内部为什么会长期稳定地带电、并存在一个相对稳定的内部电流呢?
据分析,地球内部地核的半径约为3500公里,温度在5540℃左右,压力大约为350万个大气压.在通常情况下,构成宏观物体的每个原子所带的正电量和负电量是等值的,这样,经中和后的宏观物体就不带电了.但由于地核及地幔下部物质受到的压力作用较大,温度也较高,一个在常温低压状态下被公认的常识,宏观物体不能自发地稳定带电的观点将不再成立.即在天体内部的高压状态下,物质都是带电量不等的离子体,高温等离子体、低温等离子体的电量“相等”是不可能的.
磁流体发电的实验表明,在上千度以上的温度状态下,物质中少量原子中的电子可以克服原子核引力的束缚而变成*电子,同时原子则因失去电子变成带正电的离子,这种状态称之为低温等离子状态.地核的温度在5540℃左右,如此高的温度势必会使地核中少量原子中的电子克服原子核引力的束缚,变成*电子,同时原子失去电子变成带正电的离子,在压力不是很高的状态下,失去电子的原子及克服原子核引力束缚的*电子通常以等离子状态存在,热运动及原子核的静电引力作用使*电子不能长期与失去电子的原子脱离开来.但是,当物质是在超高压作用下以密度极大的状态存在时,克服原子核引力束缚的电子,将在巨大挤压力的作用下,飘浮到地核与地幔的交界处,造成克服原子核引力束缚的*电子与失去电子的原子长期脱离开来,笔者将这种现象称之为热压电效应.由于地核内部的原子总量非常巨大,可以产生大量的被分离电荷.
原子最外层电子的分布几率,会受到邻近原子中电子的静电排斥作用,由于地核中物质所受压力作用较高,物质密度较大,受到邻近原子中电子的静电排斥作用也相应较强,原子的最外层电子会部分地失去围绕原子核运动的空间,使原子最外层电子的分布向原子外扩张.与常压状态下金属中可*运动的*电子不同,在超高压压力作用下失去围绕原子核运动空间的电子,也不能在地核中其它邻近原子之间*运动.由于整个地核的压力都较高,因此,地核中少量原子最外层电子的分布几率将一直延伸到压力较低的地核与地幔交界处甚至地幔中上部.地核中部分以*电子状态存在的电子在压力作用下,朝压力较低的地核与地幔交界面附近甚至地幔中上部分布,使宏观的地核处于带正电状态,地核与地幔的交界面附近以及地幔中上部处于带负电状态,即发生热压电效应.
原子的基态通常处于较深的负能级状态,较弱的压力作用不能将其激发或电离,但较强的压力作用会以一种令原子最外层电子运动空间减少的形式,改变原子最外层电子的分布几率.由于更低的能态已经被其它电子占据,地核中被激发或电离的电子将在“浮力”的作用下朝外扩张,并在“浮力”作用与地核中所有失去电子的原子的库仑作用相平衡的位置,也即在地核与地幔的交界面附近,形成一个覆盖地核的电子壳层.将地核与电子壳层视为一个巨大的“原子”,地球磁场的产生就与这个巨大 “原子”的存在有关.
天体内部的热压电效应主要是将与原子分离的电子挤压出天体内部的高压区,如果电子没有与原子分离,则很难被大量地挤压出天体内部的高压区.
必须强调,由于电子具有波动性,每个飘浮到地核外部的电子的分布位置并不是固定不变的,而是有一定的范围,其飘浮的范围甚至有可能一直延伸到地球表面上来,也就是说,地球的表面有可能带有负电荷,在我们的周围也应该存在一个可以测量到的电势梯度.
美国的科学家通过实验观察发现,地核的自转与地壳和地幔并不同步.地核与地幔之间接触面积非常巨大,按照“常识”,充满液态岩浆的地核与地幔之间接触面上产生的摩擦力应非常巨大,足以使质量巨大的地核与地幔之间的相对运动在几年或几十年的“瞬间”趋于同步,但地核的旋转运动竟然能在上亿年的时间里与地幔不同步,这是为什么呢?