文档介绍：地球磁场及翻转对应方案
———理学院四班彭渤
地球磁场起源
从公元1600年前后开始,<<论磁体>>
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 10-3
1933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 10-11
1939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场不符合
1946—1947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,剩下的会被类似磁镜的地磁系统俘获(通常在5至10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。
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(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5ⅹ10^5 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)
设初始条件为:设通过线圈的电流为1000安,线圈半径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:
对速度为500 km/s 的质子,产生偏转加速度:
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。
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