地球磁场及翻转对应方案

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1、地球磁场及翻转对应方案 地 球 磁 场 起 源 从 公 元 1600年 前 后 开 始 ,最 早 见 于 威 廉 .吉 尔 伯 特 的 各 派 学 说 众 说 纷 纭 发 动 机 学 说 的 影 响 最 大 爱 因 斯 坦 归 为 物 理 学 领 域 尚 未 解 决 的 五 个 重 大 难 题 之 一 地球磁场起源说一览表提 出 时 间 名 称 主 要 思 想 理 论 缺 陷约 十 七 世纪 永 磁 体 学说 地 球 内 部 存 在 巨 大 的永 磁 体 ， 由 永 磁 体 产生 地 球 磁 场 地 球 内 部 温 度 很 高 ， 不 可 能 存在 永 磁 体内 部 电 流 学 说 地 球 内

2、 部 存 在 巨 大 的电 流 ， 形 成 巨 大 电 磁体 产 生 地 球 磁 场 未 观 测 到 这 种 巨 大 电 流 ， 而 且巨 大 电 流 也 会 很 快 衰 减 ， 不 会长 期 存 在 1900年 电 荷 旋 转 学说 地 球 表 面 和 内 部 分 别 分 布 着 符 号相 反 、 数 量 相 等 的 电 荷 ， 由 地 球自 转 而 形 成 闭 合 电 流 ， 由 此 电 流产 生 磁 场 缺 乏 理 论 和 实 验 基 础1929年 压 电 效 应 学说 物 质 在 超 高 压 力 下 使 物 质 中 的 电荷 分 离 ， 电 子 在 这 样 的 电 场 中 运动 而 产

3、 生 电 流 和 磁 场 理 论 计 算 出 这 样 的 磁场 仅 有 实 际 球 地 磁 场的 约 10-31933年 旋 磁 效 应 学说 地 球 内 的 强 磁 物 质 旋 转 可 以 产 生地 球 磁 场 这 种 旋 磁 效 应 产 生 的磁 场 只 有 实 际 地 球 磁场 的 大 约 10 -111939年 温 差 电 效 应学 说 地 球 内 部 的 放 射 性 物 质 产 生 的 热量 ， 使 熔 融 物 质 发 生 连 续 的 不 均匀 对 流 ， 这 样 产 生 温 差 电 动 势 和电 流 ， 由 此 电 流 产 生 地 球 磁 场 理 论 估 计 同 样 与 地 球磁

4、场 不 符 合19461947年 发 电 机 学 说 地 球 内 部 的 导 电 液 体 在 流 动 时 产生 稳 恒 的 电 流 ， 由 这 电 流 产 生 地球 磁 场 1947年 旋 转 体 效应 学 说 根 据 少 数 天 体 观 测 得 到 的 经 验规 律 ， 认 为 具 有 角 动 量 的 旋 转物 体 都 会 产 生 磁 矩 ， 因 而 产 生磁 场 需 要 使 用 一 并 无 科 学 根据 的 常 数 ， 5年 后 又 被提 出 者 根 据 精 密 的 实 验结 果 加 以 否 定1950年 磁 力 线 扭结 学 说 在 地 球 磁 场 磁 力 线 的 张 力 特 性和 地

5、核 的 较 差 自 转 ， 会 使 原 始微 弱 的 地 球 磁 场 放 大 ， 由 此 产生 地 球 磁 场1954年 霍 尔 效 应学 说 在 地 球 内 部 由 于 温 度 不 均 匀 产生 的 温 差 电 流 和 原 始 微 弱 磁 场的 同 时 使 用 下 ， 会 由 霍 尔 效 应产 生 霍 尔 电 动 势 和 霍 尔 电 流 ，由 此 产 生 地 球 磁 场1956年 电 磁 感 应学 说 由 太 阳 的 强 烈 磁 活 动 通 过 带 电粒 子 的 太 阳 风 到 达 地 球 后 ， 会 通 过 地 球 内 部 的 电 磁 感 应 和 整流 作 用 产 生 地 球 内 部 的

6、电 流 ，由 此 产 生 地 球 磁 场 地 球 磁 场 对 宇 宙 射 线 的 屏 蔽 与 磁 极 翻 转 地 球 磁 场 最 大 的 作 用 是 形 成 一 道 屏 障 ， 把 宇 宙 射 线 集 中 到 地 球 的 南 北 两 个 磁极 。 太 阳 风 在 离 地 球 大 约 64000公 里 以 外 ， 也 就 是 10倍 于 地 球 半 径 的 地 方 ， 以 每秒 数 百 公 里 的 速 度 飞 向 地 球 ， 不 断 冲 击 着 地 球 外 围 环 境 ， 当 粒 子 流 进 入 地 球附 近 时 ， 一 部 分 会 由 于 受 洛 仑 兹 力 作 用 绕 过 地 球 ， 剩 下

7、 的 会 被 类 似 磁 镜 的 地磁 系 统 俘 获 （ 通 常 在 至 个 地 球 半 径 外 的 距 离 就 被 拦 截 到 ） 。 所 以 实 际 上 到 达 地 球 的 带 电 粒 子 只 剩 下 很 少 的 一 部 分 。 过 去 的 7500万 年 中 ， 地 球 磁 场 的 方 向 至 少 翻 转 过 170次 ， 平 均 每 隔 45万 年 翻转 一 次 。 而 许 多 学 者 甚 至 认 为 ， 地 球 磁 极 翻 转 的 周 期 为 为 25万 年 。 最 近 的 75万 年 里 （ 也 有 的 说 是 100万 年 ） ， 地 球 磁 场 一 直 没 有 反 转 过 。

8、 丹 麦 行 星 科 学 中 心 研 究 人 员 发 现 ： 地 球 南 北 极 上 空 磁 场 正 在 出 现 裂 缝 ， 或 者说 出 现 破 洞 ， 他 们 据 此 认 为 地 球 磁 极 将 在 近 期 内 不 可 避 免 地 发 生 位 移 。 最 终南 北 极 换 位 。 德 国 波 茨 坦 地 球 物 理 所 科 学 家 进 行 更 深 入 的 观 察 ， 得 到 类 似 的结 论 。 地 磁 极 发 生 翻 转 时 ， 地 磁 极 极 有 可 能 出 现 暂 时 消 失 的 情 形 。 对应方案 在 “ 射 向 ” 地 球 的 宇 宙 射 线 中 ， 太 阳 辐 射 粒子 流

9、（ 太 阳 风 ） 占 主 要 成 分 ， 而 太 阳 风 主 要成 分 为 氢 原 子 核 （ 质 子 ） ， 在 地 球 轨 道 上 ，太 阳 风 速 度 约 为 500公 里 /秒 。 故 可 用 速 度 5 105 m/s 的 质 子 流 代 表 宇 宙射 线 。应 对 方 案 一 ： 电 磁 铁 群 地 球 上 沿 经 线 布 置 一 组 电 磁 铁 ， 构 成 人造 磁 场 ， 有 点 象 一 个 手 榴 弹 ， 圆 形 弹 体代 表 地 球 ， 弹 体 上 的 方 块 代 表 电 磁 铁 ， N极 向 下 ， S极 向 上 ， 彼 此 相 吸 。 产 生人 工 磁 场 保 护 地

10、 球 替天而为 计 算 分 析 ： 以 其 中 一 段 经 线 上 的 两 个 磁 极 为 例 为 例 用 两 个 载 流 线 圈 代 表 电 磁 铁 ， 设 电 流I， 彼 此 距 离 2d， 线 圈 半 径 R. 为 简 化 问 题 ， 以 投 影 到 连 线 中 心 的 P点 为 研 究 点 ， 考 虑 P点 的 x轴 磁 感 应 分 量 （ 只 有 这 个 方 向 的 分 量 对入 射 粒 子 有 拦 截 作 用 ） 0 22321 cossin2cos2 cos RrRr drIRB 12BB 设 初 始 条 件 为 ： 设 通 过 线 圈 的 电 流 为 1000安 ， 线 圈 半

11、 径 1000米 ， 两 线 圈 相 隔2000米 ， p点 距 地 球 十 公 里 处 ， 即 I=1000 A, r=1000 m, h=r tan =10000m， 此时 r R,故 可 简 化 式 子 ： cossin23 3 2rIRB对 速 度 为 500 km/s 的 质 子 ， 产 生 偏 转 加 速 度 ： TB 111089.1 eemvBqmFa sma 21005.9 可 以 用 加 铁 心 ， 增 加 线 圈 匝 数 的 办 法 来 增 加 它 的 磁 场 ， 但 是 作 用 非 常 有 限 的 。 目 前 有 用 利 超 导 体 制 作 的 电 磁 铁 ， 能 够

12、产 生 几 十 t的 磁 感 应 强 度 ， 但 这 样 的 电 磁 铁 ，第 一 ： 规 模 不 大 。 第 二 ： 在 地 表 附 近 产 生 如 此 巨 大 的 磁 场 ， 势 必 严 重 影 响 到 人 类生 活 。 方 案 一 失 败 。 cossin23 3 2rIRB 方 案 二 ： 超 导 线 圈 构 造 磁 偶 极 子 模 拟 地 球 磁 场 对 粒 子 有 “ 拦 截 ” 作 用 的 磁 场 ， 规 模 必 须 足 够 大 如 果 让 地 球 南 北 两 极 “ 戴 上 ” 一 个 巨 大 的 超 导 体 线 圈 ， 就 可 以 构 成 一 个 类 磁偶 极 子 的 磁 场

13、 ， 来 模 拟 地 磁 场 。 日 地 空 间 物 理 248 页 超 导 环 的 位 置 。 电 磁 系 统 产 生 的 磁 场 已 很 接 近 地 磁 场 ， 能 起 类 似 地 磁 场 的 作 用 ， 只 要 这 个 系 统产 生 和 地 球 同 样 的 磁 距 ， 目 的 就 达 到 了 。 mRr o 61073.115sin 电 流 强 度 是 异 常 大 的 ， 应 该 考 虑 使 用 超 导 体 及 多 匝 线 圈 的 办 法 ， 如 ： 用 10000匝 线圈 ， 则 电 流 强 度 应 3.4 104 A这 个 方 案 成 功 与 否 ， 关 键 取 决 于 超 导 工

14、业 的 发 展 。超 导 环 半 径 的 大 小 ： 国 外 最 新 的 超 导 材 料 已 经 达 到 长 1000-2000米 、 电 流 密 度 在 10000-15000安培 平 方 厘 米 以 上 的 水 平 电 流 大 小 ： pIr 22 315100.8 mTp AI 8104.3 偷懒的想法。1850年 ， 爆 发 的 太 阳 风 暴 ： 美 国 与 欧 洲 的 通 信 线 路 同 时 短 路 ， 因 此 引 发 了 大量 的 火 灾电 流 可 调 ， 但 最 大 值 至 少 要 与 上 面 计 算 相 等 方 案 三 月 球 分 子 模 型 月 球 以 一 定 速 度 绕

15、地 球 旋 转 ， 这 很 像 一 个 分 子 电 流 模 型 ， 我 们 设 想 给 月 球加 上 一 定 电 荷 ， 那 它 绕 地 球 转 动 就 可 以 产 生 一 个 磁 场 ， 把 地 球 “ 罩 ” 在 这 个 磁 场 保 护 之 内 。 目 的 ： 让 射 向 地 球 的 宇 宙 射 线 （ 主 要 是 太 阳 风 ） 受 洛 仑 兹 力 作 用 偏 转 开去 ,避 开 地 球 。 设 粒 子 在 这 时 入 射 到 离 地 球 10倍 半 径 的 地 方 ， 在 它 飞 到 地 球 表 面 的 这 段 时 间 内 ， 受 洛仑 兹 力 作 用 偏 转 ， 最 后 擦 着 地

16、球 边 缘 横 向 飞 出 。 作 用 时 间 ： 要 在 这 段 时 间 内 横 向 偏 转 一 个 地 球 半 径 ： 要 求 作 用 在 质 子 垂 直 飞 行 方 向 的 B为 在 a点 ， 月 球 产 生 的 磁感 应 强 度 ： b点 月 球 带 电 量 为 Q， 则 月 球 产 生 的 电 流 元 为 ： Idl=Qv 2)60(4 rQvB 当 月 球 运 行 到 地 球 背 面 时 ， 在 地 球 迎 太 阳 一 面 产 生 磁 场 最 弱 ， 为sv rt e 4.13310 smarsat 75021 2 TvqmaB ee 111056.1 2)60(4 rQvB 2)

17、70(4 rQvB ab 以 b点 计 算 :则 需 要 给 月 球 加 上 ： 3.34 1010 C 的 电 荷 ,那 么 即 使 是 最 坏 的 情 况 下 ， 太 阳 风 粒 子也 不 能 达 到 地 球 其 他 影 响 ：这 些 电 荷 在 地 球 产 生 磁 场 为 ：电 荷 是 守 恒 的 ， 对 月 球 加 上 电 荷 ， 意 味 着 给 另 一 物 体 加 上 电 性 相 反 的 等 量 电 荷 ，而 看 来 这 些 电 荷 只 能 加 到 地 球 上 去 。 在 这 种 情 况 下 ， 两 者 之 间 库 仑 力 为 ： 万 有 引 力 ： 1.8 1020 N库 仑 力 为 万 有 引 力 的 ： 0.3 10-6可 行 性 问 题 TrQvB 112 1056.1)70(4 cos CQ 101034.3 TB 11101.2 NrkQF 1322 1071.6)60( 谢谢观赏感谢叶邦角老师的指导感 谢 各 位 老 师 的 斧 正