地磁場的起源與倒轉新發現

鐘萃相

【摘 要】人們很早就發現和利用了地磁場，并對地磁場的起源提出了多種假說，但無一能夠解答所有問題，于是愛因斯坦曾把地磁場的起源列為物理學的五大難題之一。近來作者重新分析了地球的形成與演進過程及其內部結構與外部環境，找到了地磁場的成因：地球兩極的渦旋結構可產生螺旋電流，從而在兩極分別形成一系列方向相同的偶極磁場，疊加上各地云層大氣電路形成的局部非偶極磁場，便產生了當今的地磁場。當地球進入大冰期時，蒸發和漂移到極地的云氣很少，極地渦旋結構很薄弱，形成的偶極磁場弱于局部非偶極磁場，便發生地磁倒轉。這一新理論也可以揭示一般星球磁場的形成原因與倒轉規律。

【關鍵詞】地磁場；偶極磁場；非偶極磁場；冰期；磁倒轉

中圖分類號： P318 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）34-0012-005

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.34.006

New Discovery of the Origin and Reversal of Geomagnetic Field

ZHONG Cui-xiang

（Department of Physics，Jiangxi Normal University，Nanchang Jiangxi 330022，China）

【Abstract】Although geomagnetic field has been found and utilized for a long time，and many hypotheses have been proposed about the origin of geomagnetic field， yet so far none of them is able to completely answer every question about the geomagnetic field，so Einstein once classified the origin of the geomagnetic field as one of the five difficult problems in physics.Recently，the author analyzed the formation and evolution of the Earth as well as its internal structure and external environment again，and has found the origin of the geomagnetic field：the polar vortexes at Earths North and South Poles can produce spiral currents，then form a magnetic dipole at Earths North and South Poles respectively， adding the local non-dipole magnetic fields produced by the atmospheric circuits around the clouds there，finally producing the current geomagnetic field.If the Earth enters a glacial period，there is little cloud vaporized from the non-polar regions and moved to the polar regions，so the polar vortexes are very weak， the resulting dipole magnetic fields are weaker than local non-dipole magnetic fields of opposite polarity，so the superposition of these two kinds of magnetic fields yields a new geomagnetic field of opposite polarity. This new theory can also reveal the origin of other stars magnetic fields and the law of their reversal.

【Key words】Geomagnetic field；Magnetic dipole；Non-dipole magnetic field；Glacial stage；Geomagnetic reversal

0 引言

早在兩千多年前，人們就已發現并利用了地磁場，但很長時間未能揭示“磁現象的電本質”，直到1820年奧斯特發現了“電流的磁效應”和1821年法拉第發現了“電磁感應現象”并利用其中的原理發明了電動機和發電機，人們對“磁現象的電本質”才有了根本性認識。即便如此，人們對自己周圍的地磁場還沒有足夠的認識，對其成因和變化規律也沒有徹底地把握。雖然人們對地磁場起源的研究已有近400年的歷史并提出了多種假說，但至今仍無一種假說能夠圓滿解答地磁場的各種問題（宋德生&李國棟，1996），因此愛因斯坦曾把地磁場的起源列為物理學的五大難題之一。幸而，近來作者重新分析了地球的形成與演進過程及其內部結構與外部環境，找到了地磁場的形成和倒轉的原因，并根據這一新理論可以揭示一般星球磁場的形成原因與倒轉規律。

1 關于地磁場成因的已有假說

由于地磁場的重要性，人們一直在探索地磁場的成因，經過幾百年的研究，人們對地磁場的特性有了更深刻的了解，并提出了多種假說（黃國良，1988；李安生&賈拴穩2007），包括鐵磁成因說、地表電荷旋轉說、發電機理論、地幔電場旋轉說和自激發電機說。目前比較有影響的是“自激發電機說”，該假說用地核比地殼和地幔轉得快去解釋地磁場的起源，但這種解釋同樣存在錯誤。雖然潮汐會使地殼和地幔自轉變慢，地核放射性物質衰變產生的輕物質（主要為氦）上升也能使地殼和地幔自轉變慢，地球分層運動疊加后的速度差，使地核比地幔和地殼三百年才多轉一周。通過計算可發現這個速度差不可能激發現在的地磁場。因此用該假說去解釋地磁場的形成也不符合實際。

2 地磁場形成的真正原因

通過早期的古地磁研究和現代的空間地磁探測，人們發現地磁場應該科學地劃分為偶極性磁場與非偶極性磁場兩部分。其中偶極性磁場占地磁場總量的90%，非偶極性磁場僅占地磁場總量的一小部分，兩者疊加在一起就產生了現在的地磁場。研究還表明導致偶極性磁場變化的是一種全球性機制，導致非偶極性磁場變化的是一種局地機制（郭鳳霞et al.，2007；李力剛2016）。

2.1 非偶極性磁場的形成機制

已知地球的年齡約為45.5億年，而從原始地球形成經過早期演化到具有分層結構只要幾億年時間，最原始的地殼大約在40億年前出現了。而迄今發現的最早地磁記錄在35～40億年前，可見地磁的起源晚于地球分層結構的形成，而與大氣層的形成時間相近。另外，地磁的時空多變性也表明地磁的產生與大氣層的形成與演變緊密相關。所以在研究地磁場的成因時應該從大氣層的形成與演進著手。

地球大氣層是地球形成和演化的產物，其演化大致經歷了原始大氣、次生大氣和現在大氣三個階段。隨著地球質量的增加，大氣層還在逐漸增厚，整個大氣層隨高度的不同表現出不同的特點，可分成多個層次（Cui-Xiang Zhong，2016；J.M.Wallace&P.V.Hobbs;，1977）：

（1）對流層——這是大氣圈中最靠近地面的一層，平均厚度為12km.

（2）平流層——位于對流層之上，其上界伸展至約55km處。該層的特點是空氣流以水平運動為主，氣流大，水汽含量小，難以形成云層。

（3）中間層——從平流層頂至85km的范圍為中間層。

（4）熱成層——位于85～800km的高度之間。該層的氣體在太陽紫外線和宇宙射線的作用下處于電離狀態。電離產生的原子氧、原子氮能強烈吸收太陽的短波輻射，形成帶正電荷的陽離子。其中部分陽離子會向下擴散到對流層，聚集到云層的頂部。

（5）散逸層——800km以上的空間統稱為散逸層。該層大氣稀薄，氣溫高，分子運動快，地球對氣體分子的吸引力小，因此氣體及微粒可飛出地球引力場而進入太空。

由此可見，人們常見的云只能形成于對流層，因為只有在空氣垂直上升運動很強烈的地方，水汽才能上升并遇冷成云，而平流層以上均不滿足此條件。事實上，在對流層中有高度不同的多種云，大致可分為高云、中云和底云。高云的高度在8000～13000m，外形像薄薄的紗巾或羽毛；中云高度在2000～8000m，一般可以遮天蔽日，還可以產生連續的降水；低云高度在2000m以下，外形特點像棉花糖或呈泡沫狀迅速發展，可產生雷陣雨。因此，研究云的起電機制主要考慮中低層云。

由于云的碰撞、摩擦、宇宙射線或其他電離過程的作用，大氣中會產生大量的正離子和負離子。在云中的水滴上，電荷分布是不均勻的：最外邊的分子帶負電，里層帶正電，內層比外層的電位差約高0.25 伏特。為了平衡這個電位差，水滴必須“優先吸收大氣中的負離子，這樣就使水滴逐漸帶上了負電荷。在對流過程中，較輕的正離子逐漸被上升氣流帶到云的上部；而帶負電的云滴因為比較重，就留在云的底部，造成了正負電荷的分離。因此，常常是正電荷聚集在云的上層，負電荷聚集在云的下層。另外，當天空中空氣的濕度很大、兩塊云之間的電壓很高時，潮濕的空氣也會變成導體，使電流通過天空，因此大氣中到處有電場和電流。特別地，由于云團之間頻繁的摩擦與碰撞，導致云團中或云團之間頻繁放電，甚至產生雷暴。大氣物理學的新近研究表明，在任何時刻地球上大約都有2000個雷暴在活動。云的每一次放電或每一個雷暴都好似一部靜電起電機，能將電流送到云的上層甚至大氣上層、云的下層甚至地面以及云團內部，形成完整的大氣電路（張三慧，2008；吳迎燕，2008），如圖1所示，其中每個大氣電路中的環形電流都可產生一個微弱的局部地磁場，這些極性不同的局部地磁場疊加在一起就形成了局部非偶極性磁場。不過，由于地球自西向東轉，在地球與云之間的萬有引力作用下，云也隨著地球轉，因此云的主流也是自西向東轉，因而環流平面垂直于地球轉軸的環路電流（如圖1所示）在形成局部非偶極磁場中占據主導地位，使得疊加所得的局部非偶極磁場的磁北極指向地理北極而磁南極指向地理南極。

2.2 偶極性磁場的形成機制

由于過去人們把地球視為一個簡單的磁偶極（magnetic dipole），因此在尋找地磁場的成因時只專注于地球的內部結構，而往往忽視地球的外部環境，因此未能發現令人信服的地磁場的形成機制。事實上，星球的電磁場主要由其外部大氣層中的帶電離子的運動產生的，因此我們在研究一個星球的磁場時不能只看其內部結構，而應該更多地關注其外部大氣環境。不能因為空氣無色無味且透明而將其忽視無睹。

眾所周知，地球擁有濃密的大氣層。由于地球自轉離心力的作用使地球成長為赤道隆起、兩極稍扁的球體，使地球兩極位置的半徑小于赤道及其他位置的半徑，而萬有引力和距離的平方成反比。當地球快速自轉時，產生的強大離心力使赤道和低緯度地區上空的云氣容易遠離其旋轉軌道而沿著螺旋軌道向南極或北極移動。由于極地位置的萬有引力大于其他位置的萬有引力，因此當云氣移到極地上空時容易被極地的萬有引力吸引住，云氣吸入冷空氣后便凝結成厚重的云團而下沉。許多墜向極地的云團隨著地球的自轉便形成一股很強的圍繞極地旋轉的環流，即“極地渦旋”，如圖2所示。地球有兩個較大的渦旋結構，分別位于南極和北極，深度可跨越地球的對流層和平流層。這種渦旋結構常年存在，在冬季達到最大強度。當北極處于夏季，其渦旋不顯著時，南極處于冬季，其渦旋顯著；當南極處于夏季，其渦旋不顯著時，北極處于冬季，其渦旋顯著。所以這兩個渦旋結構具有優勢互補的作用。

由于卷入極地渦旋的云團數量巨大且以螺旋方式快速旋轉，因此可形成一系列寬厚的螺旋云路，這種云路不僅便于較重的水滴向下流動而且便于電荷的傳遞，可謂是導電性能極佳的電路。由于卷入極地渦旋的云團數量巨大且快速旋轉，容易發生劇烈的摩擦和碰撞，使渦旋中充滿了正離子和負離子，并在渦旋中產生許多電流和閃電，如圖3所示。云中的水滴“優先”吸收大氣中的負離子，使水滴逐漸帶上了負電荷，因為帶負電的云滴比較重，就下移到云的下部甚至沿螺旋云路流落到渦旋底部，較輕的正離子逐漸被上升氣流帶到云的上部甚至渦旋頂部，從而在螺旋云路中形成了從渦旋底部流向渦旋頂部的電流。特別地，由于螺旋云路上的云團數量巨大且快速旋轉，容易發生劇烈的摩擦和碰撞，不斷地產生雷暴，每個雷暴好似一部靜電起電機，能產生負電荷并將其送到渦旋底部，同時將正電荷送到渦旋頂部，形成沿著螺旋云路從渦旋底部流向渦旋頂部的強大電流。由于這種電流源源不斷地沿著螺旋云路從渦旋底部流向渦旋頂部，因此就產生了強大的偶極磁場，這種磁場的N極指向地理南極而磁場的S極指向地理北極，如圖4所示。正是這些處于地球南北兩極的同向偶極磁場疊加在一起，再與局地非偶極磁場疊加在一起，便形成了當今的地磁場。

3 地磁場倒轉的原因

由于地球當前處于間冰期，地球表面溫度較高，經常能蒸發出大量的水汽，并由上升氣流帶到高空中，受冷空氣影響凝結成云層。隨著地球的快速自轉，產生的強大離心力使赤道和低緯度地區上空的云團容易遠離其旋轉軌道而沿著螺旋線軌道向南極或北極移動。當云團移到極地上空時容易被極地的萬有引力吸引住，吸入冷空氣后便凝結成厚重的云團而下沉。許多墜向極地的云團隨著地球的自轉便形成一股很強的圍繞極地旋轉的環流，即“極地渦旋”。正是位于地球兩極的渦旋結構產生了兩個偶極子磁場，在地磁場的形成中起著支配作用，才使得磁場的N極指向地理南極而磁場的S極指向地理北極。

當地球進入大冰期時，大部分陸地和海洋都被冰層覆蓋，無法蒸發起大量的水汽來形成云層。即使有少量的云氣隨著地球的自轉而移動，移不了多遠也會被冷空氣凍結而下沉到地表，所以無法在地球兩極之形成巨大的渦旋結構，也就無法產生強大的偶極磁場，因此在地磁場的形成中只有非偶極磁場起支配作用，因此地磁發生極性倒轉。比如，隨著太陽帶著其行星在銀河系中轉來轉去，太陽系容易進入像近銀點這樣被多層星球包圍、缺乏燃料資源的空間，在這種情況下太陽產生的熱量大減，就可能使地球表面的溫度降低，使地球進入冰河期，從而地磁極性發生倒轉（Raup，D.M.，1985；Lutz，T.M.，1985；Coe，R.S.et al.，1995；Bogue，S.W.，2010；Glassmeier et al.，2010；Sagnotti L et al.，2014）。

由于木星表面溫度是-168℃，極其寒冷，因此木星濃厚云層就凝結在木星表面，很少飄移到兩極，使木星兩極的偶極磁場弱于局地非偶極磁場，所以這兩種磁場的疊加導致木星磁場的的極性與當今地磁場正好相反。

5 結論

由于許多人一直錯誤地把地磁場的成因歸結為地球內部物質運動的結果，而忽視了難以察覺的大氣運動和風云變幻，結果提出的關于地磁場成因的多種假說矛盾重重、難以置信，無法解釋磁場空間分布的不均勻性和隨時間不斷變化的特性，包括磁偏角和地磁場的倒轉現象。于是作者從地球的形成與演進出發，分析了地球大氣層的形成和演進過程，發現了地磁場的成因，即地球兩極的渦旋結構可產生螺旋電流，從而形成兩個強大的方向相同的偶極磁場，疊加上各地云層的環流電路形成的局地非偶極磁場，便產生了當今的地磁場。當地球進入大冰期之后，蒸發和移到極地的云氣很少，極地渦旋結構很薄弱，形成的偶極磁場弱于局地非偶極磁場，疊加的結果相當于發生了地磁倒轉。這一新理論也可以解釋一般星球磁場的形成原因與倒轉規律。

【參考文獻】

[1]宋德生，李國棟.（1996）.電磁學發展史[M].南寧：廣西人民出版社.

[2]黃國良.（1988）.地磁場和地磁場成因的假說[J].西安礦業學院學報，1：86-90.

[3]李安生，賈拴穩.（2007）.地球磁場的成因與居里點隨壓強變化的推測[J].地球物理學進展，22（2）：443-445.

[4]郭鳳霞，張義軍，言穆弘.（2007）.地磁場長期變化特征及機理分析[J].地球物理學報，50（6）：1649-1657.

[5]李力剛.（2016）.地磁倒轉的原因是什么？[J].科學通報，61：1395-1400.

[6]Cui-Xiang Zhong.2016.Revealing the Cause of Global Climate Change from the Formation and Evolution of Atmosphere [J].International Journal of Geophysics and geochemistry，3（1）：1-5.Published online，Mar.2，（http：//www.aascit.org/journal/ijgg ）（）.52-3559.

[7]J.M.Wallace，P.V.Hobbs.（1977）.Atmospheric Science：An Introductory Survey，Academic Press，New York.

[8]張三慧.（2008）.大學物理學—電磁學[M].北京： 清華大學出版社.

[9]吳迎燕.（2008）.北京地區地磁場Sq強度的季節變化和長期變化.地球物理學報，61（9）：3552-3559.

[10]Raup，D.M.（1985）."Magnetic reversals and mass extinctions".Nature.314：341–343.

[11]Lutz，T.M.（1985）."The magnetic reversal record is not periodic".Nature.317：404–407.

[12]Coe，R.S.；Prévot，M.；Camps，P.（20 April 1995）."New evidence for extraordinarily rapid change of the geomagnetic field during a reversal".Nature.374（6524）：687.

[13]Bogue，S.W.（10 November 2010）."Very rapid geomagnetic field change recorded by the partial remagnetization of a lava flow".Geophys.Res.Lett.

[14]Glassmeier，Karl-Heinz；Vogt，Joachim（29 May 2010）."Magnetic Polarity Transitions and Biospheric Effects".Space Science Reviews.155（1–4）：387–410.

[15]Sagnotti L，Scardia G，Giaccio B，et al.（2014）.Extremely rapid directional change during Matuyama-Brunhes geomagnetic polarity reversal.Geophys J Int，199：1110-1124.