地磁场和其他星球磁场的形成原因及磁偏角与磁倒转
摘要：尽管人们很早就发现并利用了地磁场，并对地磁场的成因提出了多种假说，但至今仍无一种假说能够圆满解答各种问题。于是作者重新研究了地磁场的形成和变化机制，发现地球大气层在太阳紫外线和宇宙射线的作用下能产生大量的正离子和负离子，然后形成云上正电荷层和云下负电荷层，伴随地球的自转就产生了迭加的地磁场。这种磁场符合人们已发现的地磁场的所有特点，能够很好地解释地磁场空间分布的不均匀性和随时间不断变化的特性，包括磁偏角和地磁倒转的现象。其他星球磁场的形成原因与倒转规律类似。
关键词：地磁场；磁偏角；磁倒转；云电荷；星球磁场
Abstract：Although geomagnetic field has been found and utilized for a long time， and many hypotheses have been proposed about the cause of geomagnetic field， so far none of them is able to completely answer every question about the geomagnetic field. Thus the author has researched the formation and evolution of the geomagnetic field again， and dicovered that under the action of solar ultraviolet rays and cosmic rays，earths atmosphere can produce a large amount of positive ions and negative ions， then form the positive charge layer at the top of cloud and the negative charge layer at the bottom of the cloud； with the rotation of earth， the two charge layers generate a superposition of geomagnetic field.This kind of magnetic field conforms to all the known characteristics of geomagnetic field. It can well explain the inhomogeneity of the spatial distribution of geomagnetic field and its characteristic of constant change over time， including geomagnetic declination and geomagnetic reversal. The formation and reversal of other planets magnetic fields are similar with that of geomagnetic field.
key w ords：geomagnetic field； geomagnetic declination； geomagnetic reversal；cloud charge； planet magnetic field
1.引言
早在两千多年前，中国古代劳动人民就积累了对磁现象的认识，发明了指南针，并应用于航海和旅行。这从北宋沈括的《梦溪笔谈》中关于指南针的记载也可知，我国的确对地磁的利用和磁偏角的认识非常早。虽然中国指南针的发明比欧洲指南针的发明要早800年，但从未能从理论上揭示出“磁现象的电本质”，直到1820年奥斯特发现了“电流的磁效应”和1821年法拉第发现了“电磁感应现象”并利用其中的原理发明了电动机和发电机，人们才对“磁现象的电本质”有了根本性认识[1]。即便如此，人们对自己周围的地磁场还没有足够的认识，对其成因和变化规律也没有彻底地把握。虽然人们对地磁场起源的研究已有近400年的历史并提出了多种假说，但至今仍无一种假说能够圆满解答地磁场的各种问题[2，3]。于是作者根据地球及一般星系的形成和演进规律，研究了地磁场的形成和变化机制，发现了地磁场的形成原因和变化规律。特作如下介绍。
2.地磁场的时空特征
从空间分布来看，地球可视为一个磁偶极，地磁南极位于地理北极附近，地磁北极位于地理南极附近，而且地磁两极和地理两极之间并不完全重合，两者之间存在着一个夹角，称为磁偏角。隨着地球磁极的缓慢移动，磁偏角也在缓慢变化。另外，整个磁场的强度在北美、西北利亚和南极大陆附近达到最大值，而靠近赤道的中太平洋和南美洲中部存在极小值。地球磁圈在白昼区（向日面）受到带电粒子的力影响而被挤压，在地球黑夜区（背日面）则向外伸出[4]。
地磁场不仅空间分布不均匀，而且随着时间不断变化。按时间尺度可分为慢速变化和快速变化。慢速变化（又称长期变化）包括地磁在稳定期的强度改变、磁极在地表的移动和磁场西向漂移（westward drift）等现象；快速变化则主要表现为地磁倒转和飘逸。在地磁倒转时，地磁强度将大幅度减少，并且结构变得更为复杂。距离现在最近的一次地磁倒转发生在78万年前，称为松山—布容倒转。Sagnotti等人的研究发现，完成该倒转的时间小于100年。这个结果对地磁形成的地球发电机模型提出了极大的挑战，至今争议不断[4- 6]。
另外，地磁场是一个弱磁场。地面上的平均磁感应强度为0.5×10- 4 T，南北两极处的磁感应强度为（0.6～0.7） ×10- 4 T。调查还发现，最近2000年来地磁强度一直在减弱，现金地磁场的强度较1840年已经下降了10%（不间断地磁记录自1840年开始），平均每百年下降5%。2013年底，欧洲太空局发射了新一代地磁卫星Swarm，其最新观测结果显示，地磁强度正在加速下降，速度为以前预算的10倍。至于为何地磁场是一个弱磁场而且地磁强度一直在减弱，目前尚不知晓，已成为科学中的热点问题。
3.关于地磁场成因的已有假说
由于地磁场的重要性，人们一直在探索地磁场形成的原因，经过几百年的研究，人们对地磁场的特性有了更深刻的了解，并提出了多种假说[2，3]。
（1）铁磁成因说
由于人们发现地磁场类似于一个在地心插入大条形磁铁形成的磁场，因此认为地球内部是一块均匀磁化的大磁铁。特别是后来地球物理学家提出了地核由铁镍等金属组成，从而在某些方面支持了这个假说。但是地球内部的温度早已超过了铁的居里点，一切铁磁质的磁性都将消失。可见，地磁场的铁磁成因不成立。
（2）地表电荷旋转说
该假说认为，如果地球表面帶有负电荷，负电荷随地球一起自西向东旋转形成了一个自东向西的圆电流，这个圆电流就是电磁场的成因。但根据这种形成机制估算的地球两极处的磁感应强度是（0.36×10- 4） ×10- 8T， 而实际地球两磁极处的磁感应强度是（0.6～0.7）×10- 4 T，约等于旋转电荷形成的地磁场的108倍。可见，地表电荷旋转说也不成立。
（3）发电机理论
上个世纪四十年代中期，人们开始从地球内部物质的运动和磁场的相互作用来探索地磁场的成因，最具代表性的假说是“发电机理论”。该理论认为地核中的温度很高，铁镍等金属已成液态。由于地核中的放射性元素不断释放热能，造成各处温度不均匀，致使液态金属对流形成涡流。只要有极小的初始磁场存在，涡流中就会产生感应电流，感应电流产生的磁场又会加强原来的磁场，磁场增强引起感应电流增强，从而进一步加强磁场。如此反复，就形成了现在的磁场。但这种假说无法解释地磁场空间分布的不均匀性和随时间不断变化的诸多现象，包括地磁极性倒转等。
（4）地幔电场旋转说
由于铁磁质在770℃（居里温度）的高温中磁性完全消失，在地层深处的高温状态下，铁会达到并超过自身的熔点呈现液态，绝不会形成地球磁场。而应用“磁现象的电本质”和物理学的研究成果可知，高温高压下的物质，其原子的核外电子会被加速而向外逃逸。所以，地核在6000K的高温和3600个大气压的环境中会有大量的核外电子逃逸出来，地幔会形成负电层。按照麦克斯韦的电磁场理论：电动生磁，磁通生电。所以，要形成地球南北极式的磁场，必须形成旋转的电场，而地球自转会造成地幔负电层旋转，形成旋转的负电场，从而产生磁场。但该假说也难以解释地磁场空间分布的不均匀性和随时间不断变化的诸多现象。
（5）自激发电机说
目前比较有影响的是“自激发电机说”。该假说用地核比地壳和地幔转得快去解释地磁场的起源，但这种解释同样存在错误。虽然潮汐会使地壳和地幔自转变慢，地核放射性物质衰变产生的轻物质（主要为氦）上升也能使地壳和地幔自转变慢，地球分层运动叠加后的速度差，使地核比地幔和地壳三百年才多转一周。通过计算可发现这个速度差不可能激发现在的地磁场。因此用该假说去解释地磁场的形成也不符合实际。
4. 地磁场的成因
4.1从大气层的形成与演进揭示地磁场的成因
已知地球的年龄约为45.5亿年，而从原始地球形成经过早期演化到具有分层结构只要几亿年时间，最原始的地壳大约在40亿年前出现了。而迄今发现的最早地磁记录在35～40亿年前，可见地磁的起源晚于地球分层结构的形成，而与大气层的形成时间相近。另外，地磁的时空多变性也表明地磁的产生与大气层的形成与演变紧密相关。所以在研究地磁场的成因时应该从大气层的形成与演进着手。
地球大气层是地球形成和演化的产物，其演化大致经历了原始大气、次生大气和现在大气三个阶段[7]。随着地球质量的增加，大气层还在逐渐增厚，整个大气层随高度的不同表现出不同的特点，可分成多个层次[8]：
（1）对流层——这是大气圈中最靠近地面的一层，平均厚度为12km.
（2）平流层——位于对流层之上，其上界伸展至约55km处。该层的特点是空气流以水平运动为主，气流大，水汽含量小，难以形成云层。
（3）中间层——从平流层顶至85km的范围为中间层。
（4）热成层——位于85～800km的高度之间。该层的气体在太阳紫外线和宇宙射线的作用下处于电离状态。电离产生的原子氧、原子氮能强烈吸收太阳的短波辐射，形成带正电荷的阳离子。其中部分阳离子会向下扩散到对流层，聚集到云层的顶部。
（5）散逸层——800km以上的空间统称为散逸层。该层大气稀薄，气温高，分子运动快，地球对气体分子的吸引力小，因此气体及微粒可飞出地球引力场而进入太空。
由此可见，人们常见的云只能形成于对流层，因为只有在空气垂直上升运动很强烈的地方，水汽才能上升并遇冷成云，而平流层以上均不满足此条件。事实上，在对流层中有高度不同的多种云，大致可分为高云、中云和底云。高云的高度在8000～13000m，外形像薄薄的纱巾或羽毛；中云高度在2000～8000m，一般可以遮天蔽日，还可以产生连续的降水；低云高度在2000m以下，外形特点像棉花糖或呈泡沫状迅速发展，可产生雷阵雨。因此，研究云的起电机制主要考虑中低层云。此外，由于地球表面71%是海洋，陆地面积仅占29%，而且海洋彼此相连，陆地被海洋分割成一些陆块，因此有国外媒体报道在任何时刻，地球都有大约70%的区域被云层覆盖，如图1所示。这是美国宇航局使用Aqua卫星获得检测数据后制作的一幅地图，它展示了笼罩在云层下的地球美景。
由于宇宙射线或其他电离过程的作用，大气中会产生大量的正离子和负离子。在云中的水滴上，电荷分布是不均匀的：最外边的分子带负电，里层带正电，内层比外层的电位差约高0.25 伏特。为了平衡这个电位差，水滴必须“优先吸收大气中的负离子，这样就使水滴逐渐带上了负电荷。当对流活动开始时，较轻的正离子逐渐被上升气流带到云的上部；而带负电的云滴因为比较重，就留在下部，造成了正负电荷的分离。因此，常常是正电荷聚集在云的上层，负电荷聚集在云的下层。
根据前面的统计数据和航拍云层图可知，地球有大约70%的区域被云层覆盖，在一些彼此相连的海洋区域上空有环绕地球的云层（主要包括中云和低云）。另外，当天空中空气的湿度很大、两块云之间的有电压差时，潮湿的空气也会变成导体，使电流通过天空。故当地球自西向东自转时云层下部的负电荷跟着旋转，形成一个自东向西的圆电流，从而产生一个磁南极位于地理北极附近而磁北极位于地理南极附近的磁场；与此同时，云层上部的正电荷也跟着旋转，形成一个自西向东的圆电流，从而也产生一个极性相反的磁场。但是云层下部比云层上部离地面近得多，因此前一磁场比后一磁场要强，两个磁场迭加后就产生了现在的地磁场，其地磁南极位于地理北极附近，地磁北极位于地理南极附近。
雖然大气电场也引起地表带有负电荷，但是地表负电荷对地磁场的影响非常小。因为如果负电荷随地球一起自西向东旋转形成了一个自东向西的圆电流[2]，这个圆电流然后产生了磁场，则根据这种形成机制估算的地球两极处的磁感应强度是（0.36×10- 4） ×10- 8T， 而实际测得的地球两磁极处的磁感应强度是（0.6～0.7）×10- 4 T，即旋转地表电荷所形成的磁场强度只是实际地磁场强度的1/108。可见地表负电荷对地磁场的影响很小。
4.2地磁场成因新解说的科学性
综上可见，无论是最具代表性的 “发电机理论”还是其他特殊假说都难以解释地磁场空间分布的不均匀性和随时间不断变化的诸多特性，而本文提出的地磁场成因新解说则能很好地解释地磁场的时空多变性，因此是更科学合理的解说。
（1）地轴倾斜的原因与磁偏角的产生
人们很早就发现并利用了磁偏角，但关于磁偏角的产生和变化仍然是个谜。对于地轴倾斜的原因，人们也搞不清楚。如果我们从大气层的形成和运动来分析其成因则能容易地解决这几个问题。
原始地球只有稀薄的大气，比较均匀地包裹在地球周围，太阳对大气的照射不会对地球向日面和背日面产生太大的压力差，这使得地球的原始转轴基本上垂直于地球轨道平面，与大气圈的自转轴基本保持一致。但是，随着地球不断地从轨道附近吸收宇宙微尘和气体，其质量变得越来越大，地球吸引的大气层也变得越来越厚，现在地球大气层的厚度可达上万公里；由于大气运动的不均匀性，导致了地球上不同地区的大气压力有明显差别，从而导致了地轴发生偏转。事实上，向日面赤道和低纬度地区受热较多，空气容易膨胀，变轻上升；极地和高纬度地区受热较少，空气收缩下沉。由于赤道地区上空的气压高于极地上空的气压，就使赤道上空的空气向极地上空方向流动，在极地上空堆积下沉，形成极地高压区。另外，太阳直射在北半球的时间比南半球多，即太阳直射点于每年的3月21日至9月23日在北半球移动，此段时间经过远日点，平均公转速度较慢，时间约为186天；9月23日至次年3月21日太阳直射点位于南半球，此段时间经过近日点，平均公转速度较快，时间约为179天，导致北半球夏半年比冬半年长7天，北极点附近极昼比南极附近长约7天. 因此，北极高气压时间长于南极高气压时间，北极向日区所受的大气压力通常大于南极向日区所受的大气压力，最终导致了地轴向太阳偏转大约23゜26′，如图2所示。但是新赤道和低纬度地区的空气继续向极地上空方向流动，在极地上空堆积下沉，加上新增的纬度跨度为23゜26的向日区蒸发起来的水汽，形成新的极地高压区，新增向日区有一半空气要向极地背日区移动，结果使大气圈的自转轴只倾斜了约11.53゜（≈？×23゜26′），使大气圈的自转轴与地轴的夹角大约为11.5゜。所以在太阳照射下，随着地球及大气圈的自转就会产生大约11.5゜ 的磁偏角，如图3所示。另外，在地球的公转和自转过程中，地球大气圈在不断但缓慢地变化，造成地球磁极缓慢移动。随着地球磁极的缓慢移动，磁偏角也在缓慢变化。
（2）地磁场空间分布的不均匀性
在北半球，空气从极地高压区流出并向右偏转成为偏东风，副热带高压带流出的气流北上时亦向右偏转，成为中纬度低层的偏西风。这两支气流在60° N附近汇合， 暖空气被冷空气抬升，遇冷成云，从高空分别流向极地和副热带。所以在60° N附近，有浓厚宽阔的云层，云的上层能聚集大量的阳离子，云的下层能聚集大量的阴离子，故可形成较强的地磁场。所以在北美和西伯利亚地磁场达到最大强度。另外，流向极地的空气在极地附近遇寒冷堆积下沉，形成空气密度大、地面气压高的极地高压带。由于空气密度大、天气寒冷，容易形成浓厚的云层，可形成较强的地磁场。所以在南极大陆附近地磁场强度也达到最大值。
向日面赤道和低纬度地区受热较多，空气容易膨胀，致使赤道地区上空的气压高于极地上空的气压，就使赤道上空的空气向极地上空方向流动，形成赤道低压带。在这种低压带空气密度小，云气淡薄，只能形成较弱的地磁场。所以在靠近赤道的中太平洋地磁场强度达到极小值。南美洲中部也靠近赤道而且比中太平洋更缺乏水汽，空气密度小，难以形成厚大的云层，只能形成较弱的地磁场，所以南美洲中部地磁场强度可达到极小值 。
（3）地磁场随着时间不断变化
随着地球的公转和自转，地球大气圈在不断缓慢地变化，造成地球磁极在缓慢地移动。
当地球自西向东旋转时，云上层阳离子的转动形成了一个（与地球自转方向相反）自东向西的圆电流，出现磁场西向漂移（westward drift）现象。
另外，由于云层电荷离地面较高且旋转速度慢，加之上层正电荷与下层负电荷产生的磁场极性相反，迭加时有部分抵消，导致地磁场是一个弱磁场。特别地，随着地球质量的不断增加，大气层也在增厚，加之人们焚烧化石燃料，如石油，煤炭等，或砍伐森林并将其焚烧时会产生大量的二氧化碳，使对流层内集聚越来越多的温室气体。这些温室气体对来自太阳辐射的可见光具有高度透过性，而对地球发射出来的长波辐射具有高度吸收性，能强烈吸收地面辐射中的红外线，导致地球温度上升，低空中越来越难形成云层，只有高空寒冷区域才能形成云层，所以云层越来越高、越来越薄，这是导致地磁强度一直在减弱的原因。
5.地磁场倒转的原因
根据上面的讨论可知，地磁场是由于地球的自转产生的，地球的自转方向决定着地磁场的极性方向。根据星系的形成与演进理论[9，10]可知，当地球绕太阳按反时针方向公转时，地球向日面受到阳光的照射，使该面的温度高于背面的温度，从而使该面蒸发起更多的水汽及其他气体分子，这些气体分子被高速流动且层层叠加的平流层包裹在对流层中，逃不出去，所以向日半球的大气压强通常大于背日半球的压强，又因为两个半球的面积相当，所以向日半球所受的大气压力通常大于背日半球所受的大气压力，因而向日半球与大气层的摩擦力通常大于背日半球与大气层的摩擦力，这就使得地球在绕太阳公转的过程中自西向东自转。
根据地磁场的倒转现象，可以推测地球的自转曾改变其方向。而要改变自转的方向则需要另一个恒星的更强烈的照射。由此推测太阳及其父星曾是双星系统，当太阳带着地球绕其父星旋转时，地球受到太阳父星的更强烈的照射，使地球向祖面所受的大气压力大于向父面所受的大气压力，因而向祖半球与大气圈的摩擦力大于向父半球与大气圈的摩擦力，这就使得地球的自转方向渐渐地发生改变，地磁场的极性也相应地发生改变。但因太阳围绕其父星旋转，具有较大的活动范围，更容易获取燃烧所需的资源，因而太阳的成长速度大于其父星的成长速度。特别是太阳有多层子行星，一些具有浓密大气层的行星在阳光的照射下不断地远离太阳，深入到太阳父星的吸引范围去掠夺太阳父星燃烧所需的资源。太阳父星在太阳及其多层子行星的围困和掠夺下渐渐地缺乏资源而变成白矮星，最终使太阳成为发光发热的单星，因而地磁场的极性已长时间没有发生改变。如果有朝一日太阳带着地球经过某个突然变为超新星的前辈星球旁边时，地磁场的极性还可能发生倒转。
6.其他星球上的磁场
根据地磁場的形成机制和变化规律可知，地球之所以出现磁场是因为地球有浓厚的大气圈和风力移动的云层并受到宇宙射线和光致电离的作用，产生了大量的正负电荷，使云的上层集结着大量的正电荷，云的下层集结着大量的负电荷；随着地球的快速自转和云层的移动就产生了电流和磁场。于是可以推断，仅当一个星球有浓厚的大气圈并受到太阳紫外线或宇宙射线的作用才能形成磁场。月球及一般的卫星因为缺乏浓密的大气圈或云层，自转速度又慢而无法形成磁场。水星、金星只有稀薄的大气，自转速度也很慢，因而其磁场近乎为零或很微弱。而地球、火星、木星和土星都有浓密的大气圈和云层及强烈的阳光照射，所以有其磁场，但由于火星上大气稀薄，其磁场也很微弱[9，10]。一个星球如果受到双星的照射，其磁场极性可能发生倒转。
结论：由于许多人一直错误地把地磁场的成因归结为地球内部物质运动的结果，而忽视了难以察觉的大气运动和风云变幻，结果提出的关于地磁场成因的多种假说矛盾重重、难以置信，无法解释磁场空间分布的不均匀性和随时间不断变化的特性，包括磁偏角和地磁场的倒转现象。于是作者从地球的形成与演进出发，分析了地球大气层的形成和演进过程，发现地球大气层因受到太阳紫外线和宇宙射线的作用，产生了云层电荷，伴随地球的自转就产生了地磁场。作者提出的关于地磁场成因的新解说能够很好地解释地磁场空间分布的不均匀性和随时间不断变化的特性，包括磁偏角和地磁场的倒转现象，因此是一个比较科学合理的解说。
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