现代科技与人文大观_地球科学abc

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1、 1 神话与科学 地磁学与现代空间物理学 中国古代有些十分神奇的神话故事都和人们对浩瀚的宇宙空间的认识、 设想有关系。人们想象着天上有天宫、有玉皇、有王母娘娘的蟠桃会，嫦娥 奔月的故事更有凡人登月的奇想等等。 古希腊的神话也有这方面的记载。太阳神阿波罗驾着太阳车东升西落。 希腊人还给天上每个星座赋予一个奇妙的神话故事宇宙太空对地球人类 是那么神秘莫测，引起一代又一代人的探索和追求。 没有人类的对宇宙空间诗一样的梦想和追求，就没有现代的空间科学。 今天，人类已经进入宇宙航行的时代。登月已不是神话和梦想，而是举世瞩 目的事实。天上虽然没有玉皇大帝的凌霄宝殿，但是人们在太空建立了星际 空间飞行站。人

2、类在宇宙太空长期生活、繁衍后代的时代已经不是久远的事 情了。 宇宙空间对于人类已不是可望而不可及的，因此摆在人类面前的重要问 题是探索与弄清地球之外的宇宙空间究竟是什么样的？这就产生了空间科 学。 现代空间科学包括极广泛的研究内容。研究对象一般是在地球电离层以 外的整个宇宙空间和星体。在近地空间，人 们研究电离层的结构和运动过程。 电离层之外是磁层，人们就要研讨磁层的结构和变化过程。磁层之外是行星 际空间，也就是对整个太阳系范围内的空间和行星、星体都作为研究的对象。 行星际之外的空间叫星际空间太阳系以外的宇宙空间和各类星体。这是 一个广阔无垠的研究领域。 今天，人类又带着现代神话向未来的空间科

3、学领域迈进。 2 上穷碧落下黄泉 地磁与空间物理学的研究领域 空间物理学是空间科学的一部分，它及其相关的地磁科学的研究领域， 可以用一句话“上穷碧落下黄泉”来概括。 空间物理学的研究范围，可以广义地从电离层向下延伸到地表面以上的 大气空间，并由这个大气空间一直到宇宙深处的星际空间，可以说是上穷碧 落了。地磁科学要研究地球内部的内源磁场的特征与演化，地球电磁发电机， 地核波等等，也就是从地球表面一直深入到地核，同样可以说是下穷黄泉了。 所以地磁与空间科学是一个涉及面非常广的科学。 这样，以地球表面作为原点，向上的空间方面研究的边界是无穷大；向 下对地球的研究边界就是一个地球半径（6 3 7 0

4、公里）。在这里，扼要地介绍 一下地磁与空间科学要研究什么内容： 地面之上是大气层，要研究大气物理，大气层之上是电离层，要研究电 离层物理，再上面是磁层，研究的是磁层物理，磁层之外是行星际空间，再 外面是星际空间。因此，相应地要研究行星际空间物理和星际空间物理。 地面向下首先是地壳，在这一层深度上由于地壳的不均匀性，会引起地 磁场的局部磁性异常区或磁性异常带。人们使用电、磁感应原理制作的地磁 仪器，可以探查地质结构和勘探具有磁性的矿物与岩体。地壳下面是地幔， 地幔下面是地核。在地幔和地核边界上的物理过程可能是产生地磁场的源。 因此，在这方面提出各种“发电机理论”。因为要解释地磁场存在于全部数 十

5、亿年的地质历史时期，这就要说明地核内部一定不断地有电流补充，而支 持地磁场的存在。也就是说，地核必须自己产生电，是一台“自激发电机”。 尽管几十年来对“发电机”理论尚有不同的意见和见解，但是的确使这一理 论发展到一个新的认识阶段。由于现代科学技术水平还很难取得反映地核内 部运动状态和物理过程的精确资料，所以现在的地磁起源理论研究距离能够 完全解释各种现象还有相当的距离。为此，还须要人们继续进行探索和研究。 唐朝诗人白居易有一句诗：“上穷碧落下黄泉，两处茫茫皆不见”。的确地 磁与空间科学研究的对象是茫茫不见的星际空间和地核。但是，凭着人类的 智慧、科学技术的发展进步，一定能够变不见为可见。 3

6、地球 像一颗杏子 地球的形状基本上是稍有一些椭圆度的球形体。在地球的北极，地球表 面稍有凸出，而在南极又稍稍凹入一些。可以说地球大致像一颗杏子，呈一 端微凸，另一端微凹的形状。 地球的内部是什么样子的呢？根据地质学和地球物理学的研究发现： 地球平均半径为 6 3 7 0 公里，有一个外壳，称为地壳，是由许多层岩石组 成的固体地壳。地壳又可分为大陆地壳和大洋地壳。大陆地壳平均厚度约为 3 3公里左右，自地表而下可分为沉积壳层、花岗岩质壳层和玄武岩质壳层， 在高山地区地壳变厚，在青藏高原地区地壳厚度达到 7 0 公里之多！是世界上 最厚的地壳区。在平原地区，地壳一般只有 3 0 公里左右的厚度。在

7、大洋，地 壳变薄，一般约有 1 0 余公里厚，而且在大洋地壳中没有花岗岩质的壳层。在 此，再顺便提一句，现代流行的板块构造说将地壳底部软流圈以上的地幔顶 部与地壳合称为岩石圈。 地球地壳下面直到地心的物质分别称为地幔和地核。地幔一般从地壳底 部到 2 9 0 0 公里的深度处。地幔又可分为上地幔和下地幔。一般以 4 0 0 公里深 度处分界。在上地幔中 7 5 公里至 2 5 0 公里深度上还有一层软流层，该层由二 辉橄榄岩组成，它以部分熔融和地震波纵波的低传播速度为其特征。 在地球内部，2 9 0 0 公里深度以下至地心的物质称为地核。大多数人推测 地核主要是由以铁元素为主的铁镍合金组成的。

8、也有人认为，地核为液态的 金属核。最近又有一种说法，将地核分为外地核（由 2 9 0 0公里深度到 4 9 8 0 公里深度）和内地核（由 4 9 8 0 公里深度到地心）；在外地核为超导态熔融态 物质，而在内地核为金属态物质。总之人们对地核、地幔以及地壳的认识是 在逐步深化。但是分为壳、幔、核三个部分的认识还是非常一致的。 通过以上的讨论，我们可以说地球从外表看像是一颗杏子。从内部结构 看，也很像一颗杏子；外表有皮（地壳），中间有肉（地幔），中心是个核 （地核）。 4 地球发电机 地磁场起源 地磁场是怎样形成的？这是个至今未解决之谜。就磁场的产生而言，只 能有两种情况：一种是磁性物质，如天然

9、磁铁或人造磁铁等形成的磁场，另 一种是通电导线周围会存在磁场。 地壳是由花岗岩、辉绿岩、玄武岩组成的薄而硬的外壳。厚度为 5 0 7 0 公里，地壳的构造很不均匀，地磁场中的局部磁异常和区域异常的现象都产 生在地壳中。然而，地壳所带有的磁性绝不能是地球磁场的真正起源。 地幔的外部半径约为 6 3 0 0 公里，内半径约为 3 5 0 0 公里，地幔由一些比 地壳岩石更致密的物质组成的，其中包括硅、铁、锰、钠等金属地幔物质处 于可塑状态并且被加热到 2 0 0 0 3 0 0 0 ，已经超过了磁性物质的临界温度。 任何磁性物质在高温的地幔中都会变成非磁性物质。所以，地幔不可能产生 地球磁场。 地

10、球内部有个半径约为 3 5 0 0 公里的地核。 地核由铁镍成分的熔融金属组 成，里面的温度高达 4 0 0 0 5 0 0 0 。地核有很强的导电性，因此里面可能产 生电流。今天的科学家们正是用在地球内部循环的电流作用来解释地磁场产 生的机制的。这就是地球发电机理论。 地球发电机理论认为，在地球的液态金属核里由于存在温度差异，产生 物质的对流运动。当液态金属物质运动时，便会产生电流。在旋转核里对流 运动具有能形成电流的孤立封闭的涡流形式。从这种理论看来，地球磁场形 成的机制与产生电流的动力机制相似。 但是问题不那么简单，地球发电机理论也存在很多不足之处，为了激发 地核里的电流，必须有原始磁场

11、，而原始磁场的性质却不得而知；地核的导 电性被想象得很强，实际上是否如此，还不清楚；地球的“动力机”应当是 孤立系统，即应当自己克服产生电流时必须会出现的阻力；地壳和地幔（占 地球体积的 8 0 ）被排除在发电机理论研究范围之外等；问题仍须认真解 决。 5 吉尔伯特医生的实验 地磁学的初步研究 1 6 0 0 年伦敦出版了科学家、宫廷医生吉尔伯特的名著论磁石，磁体和 大磁铁地球，对地磁的成因做了理论上的阐述。这是第一部有关地磁 的科学著作。吉尔伯特在书中总结了自己多年的研究成果，提出一个大胆正 确的结论：地球是一块大磁铁。 在吉尔伯特之前，1 2 6 9 年法国的彼得佩里格林就已经对磁性做了初

12、步 切实的分析研究，他指出磁体具有两个极，即南极和北极。这种概念沿用至 今。他还第一个告诉人们如何通过子午线汇交的方法找到天然磁石的两极位 置。1 5 4 4 年纽伦堡的乔治哈特曼测量了许多地方的磁偏角，并发现了磁倾 现象。 为了弄清地球是大磁体的宝贵本质和这个球体奇特的力量，吉尔伯特从 众所周知的磁石磁铁，磁体以及地球最靠近人们的部分开始研究，然后通过 对各种磁体进行实物试验来继续这种研究，从而第一次深入地探测地球的内 部。在吉尔伯特以前，人们曾以为磁针所指的方向依赖于北极星的吸引力。 吉尔伯特把磁针偏倾的现象解释为地球本身是一个大磁石，磁针只不过表现 出地球的这种作用。他用天然磁铁做成一个

13、小的地球模型，在这个球面上一 个小磁针就有磁倾现象，并且在球面不同的点上，倾角的大小与地面上所观 测的大致相同。他指出我们必须从地球内部去寻找地磁的原因，因为一个磁 针是在一个大磁化球的磁场中发生作用的。（见图 3 ） 吉尔伯特首先提出磁场是磁化物体作用圈的概念。他认为，组成地壳和 上地幔的岩石具有相当强的磁化能力，因此造成地球磁场的是地球物质的磁 性。这就是地磁场的铁磁假说。此外，他还发现物体的磁化强度在物体加温 到赤热程度时就会消失。 吉尔伯特曾断言，地球的磁极与地理极几乎一致。磁偏角的大小取决于 大陆和海洋的位置。海洋是非磁性的，大陆则可能由磁性物质形成。当然， 现在看来，他的有些结论还

14、下得过于粗浅。但是，这说明地磁学已经作为一 门独立的学科迈出了坚实的第一步。 6 保护地球的屏障 磁层 磁层这个概念最早是在 1 9 3 1 年由查普曼（C h a p m a n ）提出来的，他根据 地磁记录到的磁暴形态与太阳活动的关系，提出太阳表面经常喷射出由正负 带电粒子组成的高速中性微粒流。当微粒流靠近地球时受地球磁场的影响， 在微粒流表面感应而产生电流，它的作用一方面屏蔽磁场，使之不能进入微 粒流，另一方面使微粒流外部磁场增强。当微粒流向前推进时，表面开始弯 曲，离地球较近的地方受阻力比较大，离地球较远的地方阻力比较小，逐渐 形成一个被地磁场充满的空穴。空穴的边界条件是微粒流的动压与

15、空穴内的 磁压相等。 实际上太阳表面连续不断地喷发出带电粒子的微粒流。比尔曼 （B i e r m a n ）从慧星尾迹的空间分布上，观测到这一事实，并把这种微粒流叫 作太阳风。这样，地球周围的磁性空穴不再是磁暴时的暂时现象，而是一个 持续稳定的区域了。 1 9 6 4 年 1月 2 1日发射的美国卫星装有磁力仪，明显观测到地球磁场终 止的区域正好与太阳风相接。地磁场本身的界限第一次得到证实。这个由地 磁场起控制作用的空穴就叫作磁层。磁层与太阳风的交界处称为磁层顶。 磁层的形状像一个巨大的慧星。慧星状的头部与磁层向阳一侧被压部分 相一致，磁层也像慧星一样被太阳风吹出一个长长的磁尾，形成一个外形

16、近 似于向阳端为半球形的长圆柱体的空间范围。在日地联线上磁层顶离地心约 1 0个地球半径，在背阳面有一条很长的尾巴，它近似为半径是 2 0个地球半 径的圆柱，长度达好几百个地球半径。 磁层明显阻挡了太阳风微粒流直接扫向地球。如果地球没有磁层这层保 护屏障，太阳风微粒流直接扫向地球，会燃尽大气层，烧干海洋和地球所有 水。地球将会变成干涸的星球，就像我们所见到的月球表面一样，任何生命 将不能在地球上存在。 7 仪器出毛病了吗 地球辐射带的发现 地球辐射带的发现是空间探测初期最重要的成果之一。早在本世纪初 期，挪威地球物理学家 C S t o r m 为了探求极光产生的原因，通过复杂的数学 计算，求解带电粒子在地磁场作用下运动轨迹时，就得到两个重要结论： （1 ） 带电粒子偏离赤道，折向两极；（2 ）从理论上，带电粒子在地球附近可以有 许多轨道，但也存在着带电粒子不能穿过的禁区，而且不同能量不同方向的 粒子，其禁区的位置不同。许多实验证明了这种禁区的存在。1 9 4 7 年阿尔文 从理论上指出，带电粒子可以通过散射的