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第18章 认识不可缺少的配角——地球(5)

现在的实验观测表明,地球的磁场正在衰减,如果以目前的速度衰减下去的话,大约在1200年之后,指南针将失效。甚至在短时期内会出现“指向紊乱”现象;然后又会渐渐地(几十年或几百年)重新稳定下来,磁场强度也会由小变大,但此时的磁场方向不再是指南,而是指北了。

这就是说,原来的指南针变成了指北针。地球磁场的短期变化是地球外部因素引起的,例如太阳辐射、宇宙线和大气电离层的变化等。表现为每日地磁要素的变化,分为平静变化和干扰变化两大类了。

平静变化经常出现,规律性强,又有确定的周期。一天之中,磁偏角变化约为几分,强度变化为几十伽玛。这种变化还随地理纬度和季节、时间的不同而有所不同。

人们普遍认为,地球磁场的这种变化是太阳微粒子辐射影响的结果。这种辐射使地球大气层中形成一个巨大的电离层。由于日照的昼夜变化,使电离层导电率随之发生变化,形成电流,电流感应磁场并造成地磁场的昼夜变化。

干扰变化,又称磁暴。它经常发生在北方,有时也可能波及全球。持续时间为几小时,有时长达一昼夜。磁暴出现时,磁场强度发生大幅度的跳跃式变化,变化幅度可达几千伽玛。磁针不停地摆动,罗盘无法测量。

磁暴常常引起自然灾害,如使电力线损坏、铁路通讯联系中断、大变电站发生事故等,尤其严重的是短波无线电通讯效果变坏,甚至无法进行,威胁着航海、航空及宇宙通讯的正常进行。

磁暴是太阳活动与地磁场相互作用所引起的一种复杂的地球物理效应。与太阳黑子周期相关,具有11个周期。在太阳黑子相对数为极大值的年代里以出现急始型磁暴为主;在黑子相对数为极小的年份里以出现缓始型磁暴为主,急始型磁暴在整个磁暴总数中约占75%。

伴随磁暴的发生,常常在高纬度地区出现极光。极光也是自然界中的一种奇迹,据说一次北极光的能量相当于美国一天所用的电力。

知识点永磁体

能够长期保持其磁性的磁体称永久磁体。如天然的磁石(磁铁矿)和人造磁钢(铁镍钴磁钢)等。永磁体是硬磁体,不易失磁,也不易被磁化。而作为导磁体和电磁铁的材料大都是软磁体。永磁体极性不会变化,而软磁体极性是随所加磁场极性而变的。钢或其他材料能成为永磁体,就是因为它们经过恰当地处理、加工后,内部存在的不均匀性处于最佳状态,矫顽力最大。

地球的周期性变化

因为地球绕轴自转,恒星看起来是以很规则的方式穿过天空运行。每一颗星每天通过子午线,子午线是通过两极和头顶上一点的想象中的一个大圆。一天的长度可以用特殊的时钟(原子钟)精确地测定。

测量显现日长在0.001秒的量级上有微小的变化,这是因为构成地球的物质由于各种过程不断移动引起的。例如,地极的冰冠作季节性融化,使赤道附近的海平面上升几厘米,从而使地球自转变慢和日长延长。当旋转着的花样滑冰者张开他(或她)的双臂而减慢下来时,就是同样的效应。

这种减慢说明角动量守恒,这和自转物体(例如陀螺),假如不施加阻力它将继续转动不停这类经常观察到的效应一样,给取了这样的一个名字。因为角动量是物体大小与自转速度的乘积,物体大小增加了,它的自转就会减慢,海平面上升就是这种情况。因为冰冠融化依赖于每年的季节。这现象是周期性的,在一个长时期里平均应为零。

除了地球自转速率的周期性变化外,还有非常小,但明显的演化性效应的证据——一直减慢下来绝不复原,因而它不会平均到零。这已由日食观测所表明,日食是有规律的事件,发生的时间可以由地球和月球的轨道计算出来。

如果我们假定日长是常数,则可精确计算出在某个指定日食发生的时候,地球自转运动进行到什么程度,即使2000年前发生的也可以算。当然,地球的自转位置只由一天的时间给出;在某些情况里,古代日食观测者精确地记载下这些时间。天文学家发现古人所记录下来的时刻,要比根据日长为常数所预计的时间约早3小时。

最简单的解释是地球自转正在减慢,所以过去2000年来,地球自转的平均速率比现在的速度要大些。为了解释3小时的累积效应,我们必须假定在每1世纪当中日长增加0.0016秒。

如果我们把这个减慢数字应用到很长的时间跨度上,比如回到地质学家测定约为3.5亿年以前的泥盆纪,则一天的长度可能只有22.45小时;因此每年应有更多的天数,它等于24除以22.45即1.07——每年超出7%,总数为每年多24天。因此我们预料泥盆纪的一年必定为389天左右。

科学家用在巴哈马群岛找到的珊瑚的生长环检验了这个预计。他们发现现代珊瑚每年约生长360个环,而在泥盆纪珊瑚化石中这样的环约生长400个。如果像研究人员所认为的那样,每个环相当于一天的生长,这可能证明泥盆纪的一天比现在的一天短少粗略地预计的那个数量。

卫星拍摄的巴哈马群岛地球自转减慢下来的原因被认为是由于潮汐摩擦所引起的。当潮汐的隆起部分围绕地球滚动时,它与海底和陆地的摩擦阻止着潮汐流。摩擦力施加在地球上,减低地球的自转速率。因为摩擦生热,它最后作为辐射散失到空间中,所述能量永远消失掉,它不能回到原处复原成地球的自转运动。因此潮汐摩擦是不可逆现象的例子是一个演化现象。附带的一个效应是月球得到了地球失去的角动量,这时它缓慢地离开地球。

到现在为止我们处理了2种不同类型的变化:周期的和演化的。许多自然现象是周期性的。海洋、昼夜、潮汐和天气图形都是自然界中周期性的现象,它们至少是以大约可以预计的方式一再重复。

另一些现象,比如太阳辐射连续不断地衰变成红外辐射以及地球自转的减慢下来,不是周期的而是演化性的,其性质是自然界明显地正在演变成为一个完全新的不同状态。在地球自转因潮汐而减慢的情况下我们看到,这个减慢的估计值和根据2000多年的日食测量以及3.5亿年的珊瑚测量所得到的结果近于相同。

这个事实意味着潮汐减慢是演化的,而不是周期性的;这个效应是长时期时间上的积累,而不是周期性地自身重复。因为这一机制涉及摩擦,它基本上是一条单行道,当地球的自转能消耗掉,变成热因而最后成为红外辐射时,没有办法将能量又转变回到自转能。这就需要引起注意一件事,即太空可以无止境地吸收辐射而来的能量,却从来也不送回去。

宇宙的这个性质对于演化的发生似乎是需要的。关于生物,我们知道生命需要源源不断的能来维持它。特别是植物,它要吸收阳光并发出红外辐射来排除它多余的热,红外辐射最后散失在太空深处。如果宇宙像吸收红外线一样也辐射红外线,则天空在光谱的红外波段是明亮的,这将使植物没有办法排除多余的热,能量不久将停止,从而所有生物将会死亡。

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