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中微子与地球演化研究

(2006-01-08 21:28:49)
分类: 地球科学
    1 引言
  迄今,我们所熟知的一些地球运动和现象,如板块运动、地球磁场的起源、钱德勒晃动以及地球自转的其他不均匀运动、地震和火山活动、地球内部的分层和热运动、地热流等能量来源都不很明朗,而在地球的形成和一系列演化过程中,能量的产生、迁移、转化和消化起着决定性的作用,可以说找到了地球演化的能量来源就等于解决了地球科学的主要问题。本文通过研究太阳中微子和地球内部的圈层构造,提出了中微子地球演化理论,为揭开地球演化的能源来源提供了全新的线索。
  2 地球内部圈层构造的成因
  地球的内部和其外层大气虽然在相态、密度和化学组成等方面有较大差异,但是它们却有一个共同点,即都呈现圈层结构。这一现象不可能是偶然巧合,它们的圈层构造或许有着相同或相近的形成机理。
  2.1 大气圈层构造的形成
  研究表明,地球大气的温度、组成和电离程度等随海拔高度而变化,呈现出明显的圈层结构。如果按大气温度随高度的变化分,则可把大气层分为对流层、平流层(包括臭氧层)、中间层和热层;如果按大气的电离程度分,则可将大气层分为中性层和电离层。大气的这种圈层结构是由于各种宇宙射线和不同频率的太阳辐射,分别在不同的高度与大气物质作用的结果。例如高层大气物质吸收带电粒子,形成电离层;在距地面10—50千米处,大气吸收紫外线,形成臭氧层;在靠近地表的底层,大气吸收可见光和红外线,形成对流层等等。当然,大气层的圈层构造并不是一成不变的,而是随着宇宙线和太阳光的强弱而发生起伏变化。例如,经过整整一个白天太阳辐射的影响,电离层在黄昏时最强;在夜晚太阳辐射消失,一些离子便与电子复合而使电离层变弱,至黎明电离层最弱。因此,如果没有宇宙射线和太阳辐射的维持,大气分子的热运动将导致大气层逐渐变成均匀体,大气的圈层结构就会完全消失。[1]
  2.2 中微子性质研究
  同样地,我们认为地球内部的圈层结构也起源于外部粒子(或射线)与地球物质的作用。如果没有外部输入的能量的维持,地球的内部圈层结构就不可能形成,并在漫长的地质年代保持相对稳定。例如,陆壳与洋壳的厚度很不相同,如果没有外界能量的补充,板块的运动及海陆的交替变化将导致陆壳与洋壳的差别完全消失,但实际上这种差别一直存在。那么,是什么粒子或者宇宙射线能深入到地球内部并且供给地球能量呢?
  这样的粒子或射线必须满足两个条件:一是其穿透性极强,能够轻松地进入地球内部;二是其通量足够大,能够为地球演化提供所必须的能量。通过对各种基本粒子和宇宙射线进行研究,我们发现,只有太阳中微子满足这两个条件。
  中微子是奥地利物理学家泡利(W.Pauli)预言的一种不带电、静止质量极小或为零的中性小粒子(1930)。物理学家认为绝大多数中微子能够轻而易举地穿过地球以及其他任何行星和恒星。
  太阳的能量来自太阳内部的热核反应,主要是氢(质子)的核聚变,这种反应同时产生大量中微子,向四周辐射。标准理论预言,在由四个质子(P)转变成一个氦原子核的过程中要释放两个中微子。太阳中微子抵达地球表面时的通量为:[2]
  F(υ)=2L⊙/[25(MeV)×4π(A)2]≈6.6×1012(中微子?厘米-2?秒-1)
  抵达地面的太阳中微子能量为:
  E=F(υ)×每个中微子的能量=6.6×1012中微子?厘米-2?秒-1×0.42兆电子伏?中微子-1
  =2.77×1012 兆电子伏?厘米-2?秒-1
  一年内到达地球的太阳中微子的能量为:
  E‘=E×地球面积×一年的时间=6.6×1024兆电子伏?厘米-2?秒-1×πr2厘米2×(365.25×24×60×60)秒=1.12×1036兆电子伏=1.79×1024焦耳
  这个能量是地球每年以火山、地震和地表热流等形式消耗能量(约1.066×1021焦耳)的数百倍。所以,只要有百分之零点几的中微子被地球吸收,就足以为地球的各种演化提供能量。
  中微子是一种幽灵般的神秘粒子。迄今为止,人们对中微子的研究都是间接的,有关中微子的性质也都是间接获得的,因而并非是确定性的。
  为了弄清中微子的性质,这里我们将中微子与中子进行类比。之所以将中微子与中子类比,是因为它们都是原子内的中性粒子。费米(Enrico Fermi)(1934)发现,中子与带电粒子相比,有一个非常独特的性质,即运动速度快的中子反应截面反而小,运动速度慢的中子反应截面反而大。例如,用中子照射0.75毫米的镉片,当中子的速率很快,能量超过0.4ev时,中子可以畅通无阻地穿过镉片,当中子的速率较小,能量小于0.4ev时,中子就会被镉片全部吸收。[3]
  据此可以预见,当中微子被减速,使其运动速度(或频率)慢到与原子核内的中微子相近时,它便更容易参与反应。因此中微子应该有与中子相似的特性,即快中微子或者说高频率的中微子反应截面较小(不易与物质作用),但是经过一定物质散射、减速,频率变低或速度变慢的中微子反应截面则较大(容易与物质发生作用)。
  2.3 地球内部圈层结构的形成
  来自太阳的快中微子进入地球后,就被地球物质散射、减速而消耗能量,慢慢地就变成频率或速度与原子核中的中微子相近的慢中微子,最后被地球物质吸收,并释放能量。
  由于太阳中微子的速度(能量)不同,而且各种能量的太阳中微子的分布也不均匀,即处于某种能量的中微子相对多一些,而处在另一种能量的中微子则要少一些,所以它们被减速、吸收的位置和形成的热效应也不一样,于是就形成了地球内部的圈层结构。少量太阳中微子能量较低,经过岩石圈减速就变成了慢中微子,并与岩石圈以下的物质作用,释放一定能量,使少量物质熔融,形成软流层。
  由于中微子有磁距,所以中微子快速度运动时,必然产生电磁场,辐射到周围,同时中微子在海洋中的运动速度等于(或接近)光速,大于光在海水中的传播速度(光在海水中的传播速度为u=c/n=c/1.333=0.75c,其中,c为真空中的光速,n是光在水中的折射率)。于是,在透明的海水中产生切连科夫辐射(Cerenkov radiation),消耗部分能量。[4]这是中微子除了被物质的原子与电子等散射外而额外消耗的能量。所以,在大洋下面,中微子经过较短的距离就能够变成慢中微子,被物质吸收,释放能量,导致洋壳较陆壳薄,大洋下面的软流层上移。
  多数快中微子必须经过整个岩石圈和地幔才能被减速成慢中微子,在地表以下2900—5050千米处被吸收,释放巨大能量,导致物质熔融,形成液态外核。液态外核产生磁场,进一步加剧中微子的减速和吸收,释放更大的能量,这个能量又加剧了外核的熔融,这就是液态外核形成的根本原因。
  
  3 中微子的热效应和地球的运动
  3.1 中微子与地球物质的作用
  太阳中微子进入地球后,将与地球物质发生一系列复杂作用,归纳起来可能有如下几种:[4]
  康普顿散射:ν(高能) + e-(低能) →ν(低能) + e-(高能)
  中微子生电子效应:ν + (Z,A) → e- + (Z+1,A)
  中微子韧致辐射:e- + (Z,A) → e- + (Z,A) +ν+
  中微子对湮灭生成光子:ν+ → γ(光子)
  中微子对湮灭生成电子对:ν+ → e+ + e-
  电子俘获: + e- + (Z+1,A) → (Z,A)
  其中,(Z,A)表示核子数为A,原子序数为Z的元素。
  通过上述各种作用,太阳中微子把能量源源不断地传给了地球物质,由是导致了地球的各种运动和一系列演化。
  3.2 板块运动的机制
  中微子的最大吸收处是外核,大量太阳中微子在此处被源源不断地吸收而释放能量,结果外核成为整个地球的能量源泉。这个能量源泉也是大陆漂移的动力来源。具体地讲:
  第一,少量来自太阳的中微子在岩石圈的上地幔被吸收,释放一定的能量,使此处的物质熔融,形成一个具有流动性的软流层。坚硬的岩石板块就“漂浮”在这个具有流动性的软流层上。软流层的作用类似润滑剂,可以大大降低岩石板块和整个地幔之间的摩擦力。这样,当有一个足够的横向(水平)力强加在岩石板块上时,岩石板块就能够相对地幔发生移动。
  第二,大量太阳中微子在地球外核被吸收,释放出巨大的能量,结果地球内部物质达到极高温度而膨胀。膨胀力撕裂地幔,高温熔融物质从裂缝向上流,在抵达软流层时,变为水平方向流动,并呈放射状扩散开去。扩散的流体在水平方向强加给岩石板块一个巨大的粘拖力,拉动板块移动,从而使附着在岩石板块上的大陆发生漂移。
  在大洋中脊,地球内部热物质上涌,会填充到板块移动后所形成的裂缝间而形成新的洋壳。新洋壳与老洋壳板块焊接在一起继续漂移,在原来裂缝处又产生新的裂缝,地球内部热物质又溢出再形成新的洋壳,新洋壳与老洋壳又一起漂移,于是又出现新的裂缝,如此反复,就形成了海底岩石年龄的条带状分布。[5]
  4 太阳中微子被吸收的证据
  4.1 实验证据
  研究人员在对中微子的探测过程中发现,从正上方飞来的中微子,其数量与理论值基本相同,而从下方(即从地球的另一面穿过地球)飞来时,其数量只有理论值的一半。[6]据此,他们解释说,从地球下方飞来的中微子飞行的距离较长,一部分中微子在飞行的过程中发生了振荡,变成了探测不到的别的中微子,因而其数量有损失。然而,这只是一种猜测,最多只能算作一个间接的证明,因为人们并没有用实验证实一种中微子能够变成另一种中微子。
  我们认为,从地球下方飞来的中微子,经过地球被地球物质减速变成慢中微子后被地球物质吸收了。
  4.2天体上的证据
  一般行星的原子和电子同样能散射中微子,因而中微子也应该能够被其它行星吸收。
  当然,中微子被行星大幅度吸收必须满足一定的条件,那就是行星的直径(或体积)和密度必须满足一定的值,使之有足够的原子和电子散射中微子,使中微子减速变成易于被物质吸收的慢中微子。如果行星直径太短,密度太小,那么当中微子穿过行星时,与中微子作用的原子和电子的数量就不够多,中微子的能量消耗就不足以使其变成易于被吸收的慢中微子。这时,中微子就会畅通无阻地穿过行星而不被吸收。如果行星的直径和密度达到一定的数值,中微子碰撞的原子和电子足够,那么,中微子就可以减速并变成慢中微子,从而被行星物质吸收。
  我们知道,地球大幅度吸收中微子的地方在地下2900—5050km的外核。倘若不考虑行星的密度,那么可以预见:如果天体的直径介于2900—5050km之间,那么太阳中微子从一侧进入天体,就会在天体另一侧的表面与物质发生作用,引起天体表面物质熔融,从而在该天体的表面留下痕迹。
  在太阳系中,水星和月球等天体的直径正好处在2900—5050km之间,所以水星和月球等天体表面一定留有物质熔融的痕迹。通过研究,我们发现水星和月球等天体上的环形山就是其表面物质熔融向并下渗透或塌陷而形成的。
  目前较流行的说法是环形山是死的火山口或陨石撞击形成的坑。这两种观点均不能解释下列事实:(1)月球环形山的直径几乎连续地分布在数毫米到数百千米之间,而且都呈正圆形状;(2)两颗陨石撞击天体的同一地方的几率几乎为零,但月球上环形山中套环形山的现象比比皆是;(3)有的环形山具有同心环结构,它类似水库堤坝长期被水浪侵蚀而形成的可以反映水位高低变化的梯形层状结构。用太阳中微子与月球作用,则能轻而易举地解释上述现象。
  由于太阳和月球的运动,中微子的辐射不可能在某一地点保持不变,当太阳和月球的位子发生变化后,原来发生熔融地方的中微子辐射就会减少,这时此处物质对中微子的吸收便逐渐终止,熔融的物质也开始凝固。然而,经过一个周期后,太阳和月球又会回到原来的相对位置,于是太阳中微子又在此处被物质吸收放热,导致物质熔融,并再次引起表面物质坍陷,如此反复,就在月球表面形成了许多同心环结构。
  当然,环形山的形成应是日积月累的结果,而决非一时所成,直到现在,一些环形山也应还在形成之中。同时,环形山的形成过程是一个剧烈和大面积物质熔融过程。在这个过程之中,必定会产生一些射电现象,发出红外线甚至可见光。像月球这样离我们很近的天体,如果有这样的发光现象,我们人类一定会有所察觉。事实确实如此。到目前为止,人们已观察到月球发光等短暂现象数以千计,[7][8]只是人们一直不知道这些发光现象的真正来源而已。
  5 结束语
  本文所提出的理论还只是一种假说,有待实验进一步地验证。该理论能否被广泛接受,关键在于对中微子性质的理解和探索。目前普遍认为中微子只参与弱相互作用,其反应截面非常小,它们能够轻而易举地穿过地球。然而,这种观点并没有得到实验的完全证实。况且地球内部物质处在高温、高压和等离子状态,这种环境如同原子内部环境,中微子与物质发生作用也是必然的。
  当然,也许还有其他未知的粒子为地球演化的提供了能量,我们目前还不知道,但是不论怎样,所有的粒子为地球提供能量的原理或机制则是基本相同的。
  
  参考文献
  [1]、中国大百科全书,固体地球物理学 测绘学 空间科学[Z].中国大百科全书出版社,1985:186-187,211-218,221-222。
  [2]、李宗伟 肖兴华编著,普通天体物理学[M].北京:高等教育出版社,1992:185-186。
  [3]、袁汉鎔 俞安孙 王连璧编著,中子源及其应用[M].北京:科学出版社,1978:67。
  [4]、中国大百科全书,天文学[Z].中国大百科全书出版社,1980:254,577—578。
  [5]、张国文,中微子地球动力理论[C].见中国地球物理学会年刊(1996).北京:中国建材出版社,1996:314。
  [6]、王贻芳,神秘的中微子[J],科学,2003,55(2):13-17.
  [7]、S.J.英格利斯,行星、恒星、星系[M].北京:科学出版社,1979:141-144。
  [8]、地质辞典 普通地质 构造地质分册 上册[Z].北京:地质出版社,1983:287—322。
  [9]、张国文,中微子地球演化说[M].武汉:武汉测绘科技大学出版社,1999。
   (作者:张国文。此文发表在《科技信息》2005年第10期第111-112页)

文章引用自:原创

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