摘要:本文作者用系统论的观点解析太阳系系统,发现太阳与地球之间客观存在着两种天然的具有某种特殊功能的有机体:(1)由太阳辐射(光压)、地球自转和公转形成的使地壳处于被“轧制”状态的功能组合.该物理耦合机制的发现,使得地壳运动的力源(能源)及地壳内部各种地质构造活动的形成机理等问题得到明晰的力学解释;(2)由太阳辐射(光压)、地球自转与公转、黄赤交角的存在、地球自身的分层结构及地壳陆地表面积在南北两半球的不平衡分布形成的能激发自转轴“摆动”的功能组合.该物理耦合机制的发现,导致一个多世纪以来,在《地球自转》和《地球物理》学科中所遗留下来的<极移>、<地球自转速度季节性变化>及<地球内部的热源>等难题得到了迅速的解决.通过上述发现得知,太阳系系统是宇宙中具独立演化功能的有机体(细胞),地球是该有机体的一个组成部分.地球自身没有独立的自我演化和生存的能力,它是靠日地间各自特有的功能要素组合形成的一种天然的具有“生命”特征的有机系统,通过系统内各种功能要素的组合把太阳的能源(力源)源源不断地输送给地球,为地球自身的生存与演化提供了巨量的能源(力源)需求.用上述观点观察和研究地球科学,将会对以往传统地质科学所厘定的某些基本理念带来颠覆性的冲击,地球科学将迎来一场新的革命.
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系统科学是研究系统的结构与功能的关系、演化和调控规律的科学,是一门新兴的综合性、交叉性科学.它以不同领域的复杂系统为研究对象,从系统整体的角度,揭示各种系统的共性以及演化过程中所遵循的共同规律、发展优化和调控系统的方法.
系统论的核心思想是系统的整体观念,强调任何系统都是一个有机的整体,它不是各个部分的机械组合或简单相加,系统的整体功能是各要素在孤立状态下所没有的性质.系统中的各要素不是孤立存在着,每个要素在系统中都处于一定的位置,起着特定的作用.要素之间的关联,构成一个不可分割的整体.要素是整体的要素,如果将某一要素从系统整体中割离开来,它将失去要素的作用.
地球科学经过近三百年的发展,如气象学、海洋学、地理学、地质学、生态学等,都是对地球的某一组成部分进行深入的研究,尽管有些学科的研究已经达到了定量、半定量的水平,但仍然不能完整地解释这些分支学科所共同面临的(如能源、力源及成因耦合机制等)基本问题.系统科学的出现,标志着人类的认识方式发展到了一个新的阶段,“从前为了现象描述而越来越细的地球科学,现在又回过头来相互结合形成地球系统科学”(汪品先,2016).
本文研究的内容是用系统论的观点解析太阳与地球之间的动力学关系:确定地球所处系统的区划;分析太阳系系统所占据的空间范围、系统内各主要组成部分的运动状态;系统内部起主导作用的演化动力源(能源和力源);系统内部物体之间客观存在的宇覌自然力的种类等.进而从日-地间各单个功能要素的组合中发现那些简单的、原始的、具有某种“生命”特征的“有机体”,解密至今人们尚未知的太阳与地球之间那些天然形成的动力学耦合关系.
1、地球所处系统范围的选择
系统科学的研究离不开对具体系统的探讨,而正确的系统范围区划对系统研究的成效则显得尤为重要.20世纪80年代兴起的地球系统科学,对其系统区划范围的选择是,把大气圈、水圈、陆圈(岩石圈、地幔、地核)和生物圈划为一个独立的演化系统,研究组成地球系统的这些子系统之间的相互关系、相互作用的动力学机制、控制这些变化的机理和系统内部演化的规律.
上述系统范围的划分仍然带有传统地质科学的基本思维特征,即认为自地球形成以来,包括地球和生物圈的演化、地壳运动(构造活动)、地震和火山活动等,都主要是在所谓“地球内动力地质作用”下形成的.即使知道存在有“外动力地质作用”(如太阳辐射),认为那也只是次要的.
其实,地球自形成以来,它内部保存下来的那一点点能量(与从太阳获得的能量相比),如旋转能、重力能、放射性元素衰变产生的热能及结晶能等,除少部分已释放外,大部分仍保留在地球的内部,这些能量连自己的“体温”都保持不住的情况下,那有能力去形成需巨大的能源(力源)储备才能完成的形形色色、反复旋回的地壳运动及构造活动呢!
现在看来,太阳辐射才是维系太阳系系统演化的、起核心作用的主要能源(力源):(1)太阳辐射能量巨大,经测定太阳每秒钟向太空辐射的能量约为3.82×1026J.自地球形成以来,地球接受到来自太阳的辐射能量约为1034J,它相当于太阳内部的核聚变1年所产生能量的总和,比地球自身储存的所有能量的总和(1031J)要大三个数量级;(2)太阳内部辐射出的能源(力源)是来自于太阳内部的热核反应,热核反应机理服从爱因斯坦(A.Einstein)提出的质能关系式(E=mc2),其内部的质量为太阳持续不断辐射出巨大能量(动量)提供了能量储藏;(3)日地间存在着天然的能量(动量)相耦合物理机制(宋贯一,1991;宋贯一,1999;宋贯一,2006).
太阳与其系内行星及其它物体之间的关系不单是先前人们所理解的是仅靠万有引力作用所维系的那种家族式的首领关系,而且还是依靠太阳辐射的能量(动量)作用形成更为密切的“母子”关系.地球(包括大气圈)的整个“生命”过程主要是靠太阳的能量(动量)的“哺育”才“活”下来的(宋贯一,2008).
因此,当用系统论的观点研究地球科学时,把太阳系(恒星)作为一个相对独立的、能自行演化的、具有“生命”特征的“有机体”才是全面的、正确的、具有战略性思考的系统选择.
2、太阳系系统的发现、所占据的空间及成员组成
太阳系的发现者是波兰天文学家哥白尼(N.Copernicus1473~1543),他在一部不朽的著作《天体运行论》中提出了以太阳为中心的学说,这本书在他临终的那一年(1543年)出版.直到16世纪末,哲学家布鲁诺(G.Bruno1548~1600)和物理学家伽利略(G.Galilei1564~1642)才认识到它的重大科学意义,并公开宣扬哥白尼学说.由于该学说危机到了教会的思想统治,对他们进行残酷的迫害.1600年,宗教法庭将布鲁诺送上了火刑场;1616年,宣布《天体运行论》为禁书;1633年,宗教法庭又宣布伽利略有罪,终身监禁.
随着观测视觉的拓展和其它基础科学的发展与进步,目前人们对太阳系的轮廓及成员组成才有了比较清晰的了解.太阳系是以太阳为中心,和所有被太阳引力作用约束下形成的集合体.它含有8颗行星(由离太阳从近到远的顺序:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星)、至少173颗已知的卫星、几颗已经辨认出来的矮行星和数以亿计的太阳系小天体.
太阳系的主角是居于中心的太阳,拥有太阳系内已知质量的99.86%,并以引力作用主宰着太阳系.木星和土星是太阳系内最大的两颗行星,又占剩余质量的90%以上.太阳的直径大约是1392000千米,相当于地球直径的109倍;体积大约是地球的130万倍;其质量大约是1.989×1030千克(地球的330000倍)
如果把太阳系所占空间范围认定为引力所及之处,那它就有2光年的直径了.一光年的尺度为9.46万亿公里,2光年就是18.92万亿公里,约为太阳直径的1359亿倍.如果把太阳系所占空间范围以柯伊伯带为基准,其直径为150亿公里,相当于100个天文单位.柯伊伯带是距离太阳为40-100天文单位的一个小行星带,直径约300亿公里.
太阳系内主要天体的轨道都在地球绕太阳公转的轨道平面(黄道)的附近,行星都非常靠近黄道;太阳系内的所有行星都有自转,除金星和天王星的自转方向是自东向西外,其它行星的自转方向都是自西向东.
由北方向下鸟瞰太阳系,所有的行星和绝大部分其它天体,都以逆时针方向绕太阳公转.环绕着太阳运动的天体都遵循开普勒行星运动规律,轨道都是以太阳为焦点的一个椭圆,并且越靠近太阳的速度越快.
3、太阳系内部的的宏观自然力
对任一自然系统演化性质与功能的研究,除了确定系统范围选择这一关键问题外,另一个关键问题就是要对系统内各组成部分的功能必须作出全面的、准确的认定.以本文对太阳系系统的研究为例,如果仅仅知道太阳系内只存在引力相互作用这一种宇覌自然力,而欠缺对太阳系中还存在有另一种强大的宇覌自然力─(光压)斥力相互作用的认知,那么要想对恒星内部演化规律及日地间动力学关系的研究取得实质性的进展将是徒劳的.
3.1引力相互作用
1687年牛顿(I.Newton)的《自然哲学的数学原理》正式出版发行,提出了万有引力定律,它是人类最早用物理概念和数学的形式归纳概括出的自然定律.它的特性是:(1)存在于万物之间;(2)只有吸引力;(3)是长程力;(4)媒介粒子,引力子(?,至今尚未确定!);(5)在通常的情况下,只有牵涉到的物体至少有一个具有天文学上的质量时,才是重要的.
在其后的三百多年里,人类又陆续发现了另外三种相互作用:即电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用.电磁相互作用反映的是物体(天体)内部带电粒子间的相互作用关系,在不同的场合条件下,可以表现为斥力,也可表现为引力.在宇覌物体之间电磁相互作用表现的相当微弱;强相互作用和弱相互作用是物理学的研究深入到原子核和基本粒子之后发现的,它揭示的是微观世界量子物理问题.在宇覌物体之间,强相互作用和弱相互作用可以忽略.
就目前国内外科技界所公认的自然界仅存在有四种基本相互作用中,只有引力相互作用适用于宇覌物理学,被认为是在天体运动和天体演化这类宇覌现象中起着决定性的作用.
3.2斥力相互作用
3.2.1物质世界中斥力相互作用客观存在的哲学思维
依据哲学三大自然规律推断,天体演化过程中,宇覌天体之间不可能只存在一种功能性质单一的自然力,必然存在着另一种功能相反的自然力与其相抗衡.如同阴阳相生、相克,否则就不可能形成邈如旷世、相对稳定、和谐的自然界.
世界上任何事物的内部和事物之间都包含着矛盾的两个方面,矛盾的双方既对立又统一.对立统一规律是事物发展变化的源泉和动力.
3.2.2(光压)斥力相互作用提出之前的理论和实践储备
1901年俄国物理学家列别捷夫(H.H.леведев)和美国物理学家尼科斯(E.F.Nichols)和赫尔(G.F.Hull)先后用精密的仪器测定了光对被照射物体所施加的压力─光压.光压的试验测定,在当时并没有引起科学界的广泛重视,只认为这是对麦克斯韦(J.C.Maxwell)首先从理论上提出电磁波(光)具有物质性的一个有力的证明.
1905年,爱因斯坦写出了《论动体的电动力学》一文,创立狭义相对论.狭义相对论提出了两个基本原理,即相对论原理和光速不变的原理.
1916~1917年,爱因斯坦提出了光量子的假说,此时爱因斯坦给与光量子的,不仅仅是能量,而且还有动量,即P=hv/C.1923年,康普顿(A.H.Compton)效应的分析结果,完全证明了光子就是爱因斯坦所说的具有能量和动量的粒子实体.
爱因斯坦发表了《论动体的电动力学》一文不久,他运用狭义相对论研究物质辐射的能量损失时,发现了一个重要的结果,就是质量与能量相当.并于同年9月在《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》的论文上首次公布了这个结果.现代教科书将这一结果写成: E=mc2的形式,称质能关系式.这里E是能量,m是质量,c是光速,公式明显表示出能量与质量相当,二者的差别只是一个常量c2.质能关系式的提出,为恒星内部长期持续不断地辐射出巨大的能源(力源)储藏及恒星演化的动力源问题提供了理论支撑.由此看来,狭义相对论应当属于宏观(宇覌)物理学的基础理论之一.
光压的试验测定和狭义相对论的建立,都为(光压)斥力相互作用的提出提供了理论储备(宋贯一,2017).假如爱因斯坦沿着这一思维进一步研究下去,由他首先提出恒星的光子辐射能产生(光压)斥力相互作用这一自然力的假说则仅是“一步之遥”之事.令人遗憾的是,爱因斯坦自1925年之后所从事的所有研究文献资料中,没有留下任何有关(光压)斥力相互作用的文字记录.
3.2.3(光压)斥力相互作用理论的提出
宋贯一沿着光压的试验测定和爱因斯坦创立狭义相对论的逻辑思维,把光子的动量特性运用到恒星系系统内部宇覌物体之间的动力学耦合关系上,发现和证明了太阳辐射出的光压才是地球上的某些宏观运动(如极移和自转速度的变化等)的激发源(宋贯一、杨同林,1991;宋贯一,1992a;宋贯一,1992b;宋贯一、王吉易等,2006;宋贯一、曹志成等,2007;宋贯一,2008a;宋贯一,2008b;宋贯一,2009;宋贯一,2011),并于2012年提出了(光压)斥力相互作用理论.
2016年,宋贯一在他的《(光压)斥力相互作用理论建立的哲学思维和数学原理》论文中公布了(光压)斥力相互作用的数学表达式:
F=(1+K)3JS4πR3
式中F 为任一恒星对其系内某一被辐射物体产生的斥力;J为恒星自身每秒辐射出的能量;S 为被辐射物体接受到的光照表面积;R 为恒星与被辐射物体之间的距离;K为被辐射物体表面对光子的平均反射率;π为圆周率.即任一恒星对其系内任一被辐射物体均产生(光压)斥力,斥力的大小跟恒星自身每秒钟辐射出的能量及被辐射物体接受到的光照表面积的乘积成正比,跟以恒星与被辐射物体之间距离为半径的体积成反比.与物体表面对光子的平均反射率有关,与两物体的质量大小、物理状态及化学结构本质无关.
(光压)斥力相互作用的主要特性是:(1)恒星内部辐射出的光量子是斥力相互作用的能源,它可辐射到宇宙中的所有物体;(2)恒星向外辐射能量的方式为体扩散,扩散速度为光速;(3)只有排斥力(矢量),斥力方向为以恒星为中心沿恒星与被辐射物体两质点连线向外;(4)媒介粒子是光子;(5)对物体的作用方式是碰撞,通常仅作用于物体的表面;(6)作用力范围为长程力(理论上可达无限远);(7)在通常情况下,只对恒星系内的物体起重要作用(宋贯一,2012b;宋贯一,2014;宋贯一,2015;宋贯一,2016).
(光压)斥力相互作用是恒星形成及演化过程中的阶段性产物,它的产生与消失受量变质变规律的制约.在太阳系形成的原恒星阶段,系内物体之间的(宏观)基本关系只存在(万有)引力相互作用,它是星际物质凝聚收缩成大体积、大质量、高密度的原恒星架构的唯一宏观自然力源;但在发展到主序星阶段时,由于太阳内部的部分惯性质量通过热核反应而产生质变,太阳系内星体间的基本关系也随之发生了质的变化,即恒星与其内部其它物体之间也随之产生了与引力相互作用方向恰恰相反的自然力─斥力相互作用.斥力相互作用与引力相互作用共同存在是判断恒星演化形成是否“成熟”的基本标志,是主序星阶段形成之后恒星系统发展变化的源泉和动力,二者之间矛盾的对立与统一主宰着主序星阶段及其之后红巨星阶段的整个演化进程.在恒星灭亡阶段,其标志是恒星内部热核反应“熄火”,随之恒星系内物体间的斥力相互作用消失,只保留一种宇观物体间的基本关系─引力相互作用(宋贯一,2016;宋贯一,2017).
(光压)斥力相互作用的提出,是对爱因斯坦创立《狭义相对论》的继承和发展,是继人类已经发现物质世界客观存在有四种基本自然力之后,从理论上和实践上都已经加以证明了的第五种自然力.该种自然力的揭示,不仅对物理学,而且对整个自然科学及人类的思想都会带来巨大的影响.
4、用系统论的观点解析太阳与地球之间能量(动量)相耦合的物理机制
4.1太阳辐射(光压)、地球自转和公转形成地壳被“轧制”的功能组合
4.1.1地壳被”轧制”机制的发现
宋贯一(1991)年发现,太阳光压、地球的公转与自转组成了一套天然的“轧机”,它的结构与典型的金属塑性物理加工中的“纵轧”轧制结构完全一样.
该“轧机”的总体结构是:
(1)“轧辊”.两个相互平行且转动方向相反的球形“轧辊A”和“轧辊B”.“轧辊A”就是地球,转动方向为由西向东,转动周期是一天;“轧辊B”就是以地球围绕太阳公转轨道为边界形成的几何椭球体(这个球体虽然看似无形,但它却是充满光子的实体),转动方向与地球的自转方向恰恰相反,为由东向西,转动周期是一年(回归年).
(2)“轧件”.“轧件”就是地球表层大体上由莫霍面区分开来的地壳.地壳处于两个“轧辊”之间,由地球的自转带入“轧缝”,前进方向与地球自转轴的轴向相垂直(沿地壳表面水平方向).“轧辊B”与“轧件”(地壳)接触面是无缝“咬合”(由于地球表面凸凹不平,分布极不规则,这种耦合方式目前人工还做不到).
(3)维持“轧机”转动的动力源:“轧辊A”的转动力源来自于地球的自转;“轧辊B”的转动力源来自于地球的公转;轧辊B”与“轧辊A”之间的正压力(轧制压力)就是太阳辐射对地壳产生的斥力(光压).
自地球形成以来,这种“轧机”就客观存在并从不歇息地运行着.它把太阳对地球产生的辐射斥力(光压)通过这种看似“无形的”“轧制”机制,天然地、有效地、持续不断地转化为促使地壳内部物质产生运动(变形与变位)的水平应力(宋贯一,1995;宋贯一,1999).
太阳与地球之间能量(动量)直接相耦合的“轧制”式物理机制的发现,彻底改变了以往人们从事地球科学研究的地球观:
(1)以往人们一直认为,地球的自转及围绕太阳公转只是地球自身所具有的天然特性,它的运动形式和运动规律是一种相对孤立的自然现象,看不出它们之间存在某种必然的联系.现在看来,地球的自转和公转是地球为了自我的生存和演化,有效地从太阳获得辐射能量(动量)所必须具备的天然功能要素(如同地球上的动、植物所具备的一整套各种功能器官一样),与太阳辐射(光压)联合构成了一套具有“轧制”式功能的“有机体”.这是一种在所谓“无生命世界”里发现的最简单、最原始、最庞大的“有机体”结构形式之一.
(2)太阳系是宇宙中具有相对独立演化的、具有“生命”特征的有机体(细胞),地球是该有机体的一个组成部分.地球的形成与演化绝不是孤立的、自成系统的,地球的全部“生命”过程均参与到更大的、具有相对独立演化功能的、整体太阳系系统的形成与演化之中,并受到太阳系整体演化规律的制约(宋贯一,2008b).
(3)地壳被“轧制”必将产生“轧展”效应(宋贯一,1991).地壳内部存在的强大水平应力就是靠日地间这种“轧制”式耦合物理机制产生的(宋贯一,1999).地壳表面内部的一切变幻无穷的地质构造活动(微观和宏观的)都与太阳辐射出的能量(动量)、地球的自转与公转所组成的这种最为简单的、有效的“轧制”式耦合物理机制有关.
(4)“轧制”式耦合物理机制可能是宇宙的其它恒星系中,恒星与其内部行星之间普遍存在的能量(动量)相耦合方式.
4.1.2地壳被”轧制”机制客观存在的证据
实践是检验真理的唯一标准.为了证实地壳被“轧制”机制的客观存在,宋贯一依据由他所发现的日地间天然存在的“轧制”式耦合物理机制而提出的地壳“轧展”效应理论(宋贯一,1991),推断出地球各纬度带内所含陆地表面积的大小应是控制该纬度带内地震能量释放的决定性因素(宋贯一,1991;宋贯一,1999).
图1是为了验证上述推断而设计的图解(因为当时只能得到国内正式出版的1985年以前的全球强震资料).1901~1985年(约≧60年)时段,全球各纬度带内强震能量释放沿纬度的分布曲线与全球各纬度带内所含陆地表面积的大小沿纬度的分布曲线几乎完全一致(强相关).表面看来,各纬度带内所含的陆地表面积的大小(固定不变的)像似一种“魔盖”定量地控制着地球各纬度带内的强震能量释放的多少(变化的).
图1全球强震(MS≧7.0)活动释放能量在不同时段的纬向分布与陆地表面积沿纬向分布对比曲线下载原图
从图1的统计资料中可以得出如下信息:
(1)日地间确实客观存在着一种行星级的天然“轧机”,该“轧机”使地球表面的地壳处于连续不断的、反复的被“轧制”状态,太阳辐射出的光量子为地壳运动(变形与变位)提供巨量的能源(力源).
(2)从根本上打破了近200多年来《地质科学》的教科书中所厘定的─地震能源(力源)只可能来自于地球内部这一传统理念,太阳辐射才是引起地震的罪魁祸首.
(3)从1901~1985年(约≧60年)时段的统计资料可知:全球地震所释放的能量在全球地壳表面的分布是有序的,是受控的;全球各纬度带内因地震所释放能量的多少受各纬度带内陆地表面积大小的制约.
(4)全球地震活动(频次及能量释放)存在11年左右活动周期,主要是来自于太阳活动的11年周期这一功能要素的诱发所致;全球性地震活动所出现的季节变化,主要原因是太阳光压(P1+P2)(宋贯一,2006)作用于自转轴上,经过一回归年的激发之后,自转轴相对地壳产生周期性的摆动(极移)导致地球转动惯量变化的诱发所致.
4.2太阳辐射(光压)、地球自转与公转、黄赤交角的存在、地球自身的分层结构及地壳陆地表面积在南北两半球的不平衡分布形成的能激发自转轴“摆动”的功能组合
4.2.1激发地球自转轴产生周期性“摇摆”的功能组合
宋贯一(1992a;2006)发现,太阳辐射(光压)、地球的自转与公转、赤黄交角的存在、地球自身的分层结构及地壳陆地表面积在南北半球的不平衡分布,形成了使地球的自转轴相对于地球体自身的内部结构位置产生周期性“摇摆”的功能组合.这种摆动的主要力源是来自于太阳光压的斥力作用,它与在月球、太阳和行星的引力作用下,地球的自转轴在空间上产生的“摇摆”(岁差和章动)有本质的不同.
4.2.2“摆动”式功能组合客观存在的证据
(1)极移问题
1891年美国天文学家钱德勒(S.Chandler)根据比当时早200多年以来纬度观测资料的分析,求出它具有两个主要周期,一个在12个月左右,另一个在14个月附近.为了纪念钱德勒的发现,人们把钱德勒计算出的14个月附近的周期称谓“钱德勒周期”.
钱德勒周期的发现引起了世界各国有关科学家的极大兴趣,纷纷从不同的角度、不同的层次对地球的内部可能存在的激发函数进行了长期的探讨,并获得如下认识:12个月左右的周期是一种受迫摆动,是受大气、海洋、地表水和地下水等各自内部及其间质量的季节性重新分布的激发所致.基于上述诸激发因素实际观测资料的周期与12个月左右的周期相关性较好,多数科学家就信以为真了,其后很少有人对该激发因素提出过质疑和作进一步的探讨;对于“钱德勒周期”,由于其周期长度的怪异(14个月附近),加之周期又是变化的(425~440天之间),与动力学定律明显相悖,故把那个时代不少著名的天文学家、物理学家、海洋学家、气象学家、地震学家、地质及地球物理学家的注意力都吸引了过来.然而,经过一个多世纪的多路探索,对其成因机制仍然处于模糊不清、似是而非的状态.正如澳大利亚著名的地球物理学家兰伯克(K.Lambeck)1988年所指出的:“尽管钱德勒摆动的激发源尚未确定,但可以确认它可能是一不大规则的周年期激发和维持着的运动”.因此,钱德勒摆动成因这一课题被列为是20世纪遗留新来的,期望21世纪能够有所突破的科学难题之一.
极移的激发源问题为什么经过一个多世纪的研究仍然没有解决?本文作者认为其原因主要有两个:其一,系统范围的区划有误.以往研究极移的学者,绝大多数都是把地球当作一个独立的、能自我完成演化过程的系统来研究的,认为极移的激发源主要是由地球自身的内部因素(包括大气圈)引起的,与地球的外部因素无关(或关系甚微);其二,欠缺新的物理学理论的支撑.即使系统范围选择对了,如果没有(太阳光压)斥力相互作用理论的提出(宋贯一,1991;宋贯一,2012a)及日地间“摇摆”式耦合物理机制的发现(宋贯一,1992;宋贯一,2006),破解极移的成因这一难题也是不可能的.
2006年宋贯一发现,当太阳光作用到地球表面之后,基于地壳表面陆地和海洋物理性质对太阳光子反射系数的显著差异(海洋的反射系数约为1%左右,陆地的平均反射系数约为30%左右),将会自然地把太阳辐射于地球上的整体光压立刻分解为P1和P2两大部分:P1为地壳表面陆地和海洋接受到的等值光压;P2为地壳表面陆地和海洋接受到的光压值之差(它只产生于陆地上).
P1和P2的发现,对太阳系系统内日地间天然形成的导致地球自转轴产生“摇摆”的功能组合方式而言,不仅仅是增加了一种新的功能要素,更为重要的是导致了长期以来覆盖于极移成因这一难题上的“神秘面纱”被立马揭开.
用冲量矩方法计算,若把太阳光压P1作用于自转轴上,经过一回归年的激发之后,自转轴相对于地壳的摆动周期是365.53天(12个月左右);若把太阳光压P2作用于自转轴上,经过一回归年的激发之后,自转轴相对于地壳的的摆动只能完成0.85周,由此计算出它的周期是427天(14个月附近)(宋贯一,2006).实际上,天文观测到的极移是太阳光压P1和P2共同激发的,若把太阳光压(P1+P2)作用于自转轴上,经过一回归年的激发之后,自转轴的摆动只能完成0.92周,由此计算出它的周期是395天(13个月)(宋贯一,2006).由此看来,过去天文学和地球物理学界一直共认的那种周年期激发因素(受大气、海洋、地表水和地下水等各自内部及其间质量的季节性重新分布的激发)也是错误的.
至于与极移有关的如极移的成因机制及钱德勒周期为什么不是单值的,而是约在425~440天之间变化?观测的极移轨迹运动周期为什么也不是单值的,而是在13.0与13.3个月之间变化?等问题,宋贯一均于2009年及2014年在《地球物理学进展》杂志上发表的《天文观测极移运动周期变化的原因解析》和《地球自转学科中遗留若干主要难题的解析》两篇论文中给予了详细的解答.
(2)地球自转速度季节性变化问题
地球自转速度的变化表现为日长(l.o.d)的变化.在天文观测中,其观测值是日长,而不是自转速度,所以通常都用日长的变化代表自转速度的变化.日长的变化中,包含有长期变化(世纪期及地质年代的积累)、十年左右的变化、季节性变化(含两年期、周年和半年)及更短周期的变化.在这些变化中,季节性变化最为显著.
自19世纪以来,《地球自转》学科就把<岁差与章动>、<极移>和<自转速度季节性变化>列为三大核心课题加以研究.但经过各国有关科学家近二百多年的共同探讨,除<岁差与章动>用引力相互作用理论加以解决之外,<极移>和<自转速度季节性变化>这两个问题的激发因素始终处于似是而非、模糊不清的状态.正如我国天文学家叶叔华为首的研究团队对历年来有关地球<自转速度季节性变化>的研究成果逐个进行鉴定后指出:“过去所有认为引起地球自转速度季节性变化的激发因素,现在看来都不是主要的”(虞志英,1974).因此,地球<自转速度季节性变化>问题连同<极移>问题都被列为21世纪期望得到解决的科学难题之一.
其实,这两个难题的激发源是同源的,它们是同一根藤上结出的两个“瓜”.但这两个“瓜”的生成是有先后顺序的,如果没有<极移>问题的先期解决,地球<自转速度季节性变化>问题是不可能得到解决的.2006年,当宋贯一发表《极移的成因及其移动特征》之后,地球<自转速度季节性变化>问题立即得到迎刃而解(宋贯一,2007;宋贯一,2011).
(3)地球内部的热源问题
地球表面每天接受到的太阳辐射热量,其中95%以上又散失到太空之中.如果没有来自地球内部热源的补充,就可能会像月球表面那样表现出剧烈的昼夜温度差异(月球表面白天的温度可达1500C,夜间可达-800C).由此可见,地球内部肯定是存在一种相当强大的热源的.
地球内部的热源问题一直是地球科学家所关注的基本问题,时至今日,地学界的认识是,地球内部的热源可能来自地球内部的这三部分:(1)放射性元素的衰变产生的热能;(2)因地球内部物质向下移动,其重力势能转化而产生的热能;(3)潜热.由于地球的外核是液体,基于它不断地结晶固化,会不断地释放一部分热能.
上述三种热能在理论上是存在的,但与地球形成以来从地球内部所释放的热能相比,这三种热源的总和则显得极不匹配.因此,地球内部的热源问题仍然是一个未解之谜.
太阳辐射于地球表面的光量子,不但具有能量,而且还具有动量(爱因斯坦,1916~1917).地球表面物质由于光照而获得的热能是光子具有能量的表现;而太阳辐射、地球的自转与公转、赤黄交角的存在、地球自身的分层结构及地壳陆地表面积在南北半球的不平衡分布,形成了使地球的自转轴相对于地球体自身的内部结构位置产生周期性“摇摆”的功能组合.则是光子具有动量的表现.
实际上地球的自转轴每时每刻都处于“摇摆”(极移)的状态,激发自转轴摆动的激发源中还存在一种为期一昼夜的激发周期,由此形成的极移可称谓“瞬时极移”(宋贯一,2014).依据极移的成因机制(宋贯一,2006;宋贯一,2014)可知,极移就是壳幔层在太阳光压作用下相对地核的位移,壳幔层相对地核“摆动”的动能通过两者之间的摩擦力转化为热能(Q=fd,f为摩擦力,d为壳幔层相对地核的位移)在核幔边界处释放,形成源源不断地向外释放能量的巨大热源库.
5、结论
系统论是认识和理解物质世界任一自然系统演化规律的世界观和方法论.用系统论的观点和方法去研究地球科学,则是深刻认识和理解地球的演化机理具有战略性思考的正确选择,是地球科学由描述性研究阶段跨入机理(成因)性探索阶段的有效途径.
太阳系是宇宙中具有独立演化功能的有机体(细胞),地球是该有机体的一个组成部分.地球自身没有独立的自我演化和生存的能力,它是靠日地间各自特有的功能要素组合形成的一种天然的具有“生命”特征的有机系统,通过系统内部的功能组合机制把太阳的能源(力源)自然地、有效地输送给地球,为地球自身的生存与演化提供巨量的、持久的、源源不断能源(力源)需求.
(光压)斥力相互作用的提出是对《狭义相对论》的继承和发展,是依据爱因斯坦提出的光量子的动量特性之后所取得的又一研究成果.通常看来,量子理论是处理微观世界的物理问题,而光量子的力学特性不但属于微观世界的物理问题,而且还属于宏观世界的物理问题.(光压)斥力相互作用的提出为用系统论的观点解析太阳系系统内星体之间的动力学耦合关系提供了理论支撑,突破了以往仅用单一的(万有)引力相互作用理论(重力理论)解析地球动力学的理念.(光压)斥力相互作用和(万有)引力相互作用是物质世界客观存在的且功能又恰恰相反的两大宏观动力力源,它们之间的对立与统一在恒星乃至宇宙更大星系内部的演化中都起着决定性的作用.
传统地质科学的思维模式认为,诸如地壳运动(包括内部形形色色的地质构造活动)的力源(能源)、《极移》和《地球自转速度季节性变化》的激发源等问题无疑都是来自于地球的内部.然而一直坚守这一思维定式的地质科学界,经过200多年的不断探索,上述问题依然没有取得任何实质性的进展.而用系统论解析地球动力学,则发现了日地间存在着一种天然的能量(动量)相耦合关系,这种耦合关系的发现导致上述难题得以迎刃而解.由此看来,传统地质科学的某些基本理念需要重新厘定.
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宋贯一.用系统论解析太阳与地球之间的动力学关系[J/OL].地球物理学进展:1-12[2020-07-09].
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