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从“贾尼别科夫效应”到“网球拍定理”:地球会瞬间两极反转吗

2023-01-05 05:43:17 1559

摘要:在地理上划分,我们知道地球有南极点和北极点,这是地球自转轴的两个端点。在地磁上划分,有地磁南极和地磁北极,其中地磁南极靠近地理北极点,地磁北极则靠近地理南极点。科学研究显示,我们的地磁南北极并不是固定不动的,它们的位置会随着时间的变化而改变...

在地理上划分,我们知道地球有南极点和北极点,这是地球自转轴的两个端点。

在地磁上划分,有地磁南极和地磁北极,其中地磁南极靠近地理北极点,地磁北极则靠近地理南极点。

科学研究显示,我们的地磁南北极并不是固定不动的,它们的位置会随着时间的变化而改变。这意味着我们的地球注定会发生两极反转,当然,这种反转是一个缓慢的过程,一般需要数十万年甚至上百万年。这个缓慢的反转过程在地球地质演化史上已经发生过很多次了,因此对地球生命安全而言并不会产生巨大的影响。

我们发现了地磁的南北极会移动,那么地理的南北极会发生反转吗?要是发生了两极反转,又会造成什么后果呢?

贾尼别科夫效应

从意识到两极反转这个问题到解决这个问题,科学家们走了很长的一段路。我们需要从一位叫作贾尼别科夫的宇航员说起。

1985年,前苏联宇航员贾尼别科夫在受命前往太空,维修当时正在轨道上服役的“礼炮7号”空间站。在维修过程中,他偶然发现了一个正在空中旋转的螺母。

由于空间站处于微重力环境,因此这个螺母在悬浮状态下一直旋转。按照常规思路:在没有外力干涉的情况下,这个螺母会围绕着它所旋转的那条主轴线一直旋转下去。但是有趣的事发生了:这个螺母的旋转主轴竟然突然旋转了180度,来了个突然掉头,然后继续旋转,没过一会儿,又会转回来了,就这样如此反复。

这意味着,这颗螺母在没有外力干涉的情况下,其旋转轴是不稳定的,会发生180度的周期性翻转。要是一般人发现这个现象,肯定会直接忽视。

但是宇航员贾尼别科夫却没有忽视,他刚开始只是觉得有趣,但是当他看了一眼空间站外的地球后,却被惊呆了。因为地球不就是一个放大版的“螺母”吗?

当视线离开地球,我们会发现:地球整体也是处于失重环境,悬浮在无垠的太空中的,并且也绕着自转轴不停地在旋转。那么地球会不会像贾尼别科夫眼中的这颗螺母一样,瞬间发生180度的旋转呢?

如果地球真的像这颗螺母一样,发生两极反转,那么地球生命将迎来一场巨大的灾难:难以想象的滔天巨浪海啸、超级地震,磁场减弱,臭氧含量骤降,全剧气候巨变,这些灾难合起来造成的后果,足以让地球生命消失99.99%以上。

这个现象经过归纳总结后可以这么解释:一个刚体绕着它转动惯量最大的主轴(第一主轴),或转动惯量最小的主轴(第三主轴)旋转时是稳定的,而绕着中间轴(第二主轴)旋转时则是不稳定的。

扭动的网球拍

从贾尼别科夫现象发现一直到1991年,6年的时间里,科学界一直不确定我们的地球是否会发生两极反转。直到1991年,一篇名为《扭动的网球拍》的研究论文才回答了这个问题。

为了解释翻转的原因,科学家们提出了一个著名的“网球拍定理”,这个定理和贾尼别科夫效应有些异曲同工之妙。这个定理完美地解释了地球两极反转这个问题,给了我们一个安心的结论:我们的地球不会发生这种情况。

在三维空间里,我们给网球拍或者任何一个物体建立一个三维直角坐标系。我们以网球拍为例,这三条坐标轴分别是:

X轴平行于球拍网格面,与手柄所在的直线重合。

Y轴平行于球拍网格面,与X轴垂直。

Z轴垂直于球拍网格表面(XOY平面)。

那么球拍就有三种旋转防方式,分别绕着X、Y、Z三条相互垂直的轴线。在实际旋转过程中我们会发现,这三种旋转方式的难易程度不一样,也就是转动惯量不同。我们会发现:

1、围绕着X轴(手柄所在的直线)最简单,转动惯量最小。

2、围绕着Y轴(垂直于XOZ平面)其次,转动惯量第二大。

3、围绕着Z轴(垂直于网格的直线)最困难,转动惯量最大。

实验结果显示: 最简单的第一种和最难的第三种在转动过程中都是正常的,这两种旋转过程中,拍面都是稳定的。但是第二种转动惯量中等,难易程度居中的旋转方式却是不稳定的,球拍表面在这个过程中会发生翻转

从这个网球拍出发,我们就能知道地球是否会发生两极反转了。而现在,我们只需要确定,地轴能够等效于网球拍的哪一条轴线。

我们知道,地球内部高温高压,因此存在大量的液态岩浆。在这种情况下,地球只能按照转动惯量最大的那条主轴旋转,而这条主轴就是地球现在的自转轴。不仅如此,月球的存在也起到了稳定这根主轴的作用。

因此:地球在转动的过程中并不会发生两节翻转的情况。

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