地球和其他天體磁場的產生機理和變化原因及磁偏角產生原因與規(guī)律

余紀輝

摘 要： 本文主要依據(jù)電磁現(xiàn)象的本質，以磁學的研究方法為依據(jù)，通過分析地球內部磁分子形成的機理和特點，推論地球和其他天體磁場的產生機理和變化原因，并進一步辨析了天體的磁偏角產生原因與規(guī)律。

關鍵詞： 地球磁場;天體磁場;磁偏角

已有的科學研究證明，地球磁場對地球外來高能粒子具有屏蔽的作用，因此，給地球上的人類和其它生物創(chuàng)造了一個良好的生存環(huán)境。現(xiàn)在，科學研究還發(fā)現(xiàn)，借助地磁場來指示方向并不是我們人類獨有的本領，其它許多動物也能利用地球的磁場作為導向。因此，對地球磁場起源的研究具有較大的意義和應用價值。

自從1600年英國宮廷醫(yī)生吉爾伯特根據(jù)鐵、鈷、鎳等物質具有磁性的事實，對地球磁場起源提出設想后，人們對地磁場的探索力度越來越大，對其起源的研究也不斷地深入，已提出的假說主要有旋轉電荷、壓電效應、發(fā)電機理論、溫差電效應、電流說等，雖然這些假說背后都有科學證據(jù)支持，但對地球磁場產生的各種現(xiàn)象的解釋仍然沒有徹底理清，使得地球磁場的成因到現(xiàn)在仍不明晰。

筆者在認真審視了以往人們對地磁成因的研究思路，研究方法等之后，另辟蹊徑，對地球磁場的產生機理和變化原因進行了全新探究。筆者發(fā)現(xiàn)，人們對地球磁場起源研究一直處于迷茫狀態(tài)的原因是：人們對處于高溫高壓條件下的地球內部物質的物理狀態(tài)和物理性質缺乏足夠的認識，存在偏差和錯解。所以，對地磁場和其他天體磁場的產生機理和變化原因，本文主要從這方面進行分析，希望以此來深化和改變人們對星球內部和磁現(xiàn)象的認知。

一、地磁場的時空特征

（一）地磁場及磁偏角

地球本身是一個磁體，從外部空間上看，地球磁場分布比較簡單，形狀類似一個大條形磁鐵的磁場，磁場兩極各自處在地球南、北兩極附近位置上，雖然磁場兩極與地理兩極位置比較接近，但不會重合，而是有著一個較小的夾角，這個夾角大家稱磁偏角。地球的磁偏角數(shù)值不是恒定不變的，而是隨著時間一直緩慢變化著的。

（二）地磁場的極值分布區(qū)

地球的整個磁場強度在北美、西伯利亞和南極大陸附近達到最大值，而在靠近赤道的中太平洋和南美洲中部存在極小值。地球磁圈在白晝區(qū)（向日面）受到帶電粒子的影響而被擠壓，在地球黑夜區(qū)（背日面）則向外伸出。[1]

（三）地磁場的強度及變化

根據(jù)地磁測量數(shù)據(jù)，地球表面上的磁場強度，由兩極向赤道呈線性減弱，地理兩極位置上的磁場強度在0.65高斯左右，而赤道地區(qū)的磁場強度在0.30高斯左右。雖然地球的磁場強度很弱，但分布在地球周圍的空間卻很大，磁感線在南北兩極區(qū)域與地表豎直，赤道處的磁感線則基本上與地表平行。另外，地球磁場是在不停地變化著的，其主要特征表現(xiàn)在地球周圍各處的磁場強度不恒定，磁極位置在地表上大約以每年八公里的速度向西遷移。

二、地球磁場的成因

（一）傳導電流

地球的基本磁場在地球周圍空間的分布，形狀類似一個大條形磁鐵的磁場，這說明地球磁場起源于地球內部。但地球內部的溫度是遠遠超過磁性物質的居里點的，地球內部怎么會產生磁場呢？近百年來，這一科學問題一直困惑著研究人員的智慧，但研究人員對這一問題的有關研究從未停止。以前，研究人員一直都把研究的目光聚集在傳導電流上，因為傳導電流能產生磁場。但在近些年，隨著地磁學和其他學科的研究不斷地深入、發(fā)展以及融合，人們發(fā)現(xiàn)，地球內部根本就不存在人們想象中的傳導電流。因而，關于地球磁場的成因，我們還得認真思考尋找新的研究思路和方法。

（二）對地磁成因的新解

關于磁現(xiàn)象的電本質對地球磁場起源的研究，人們有著較為一致的觀點，任何磁現(xiàn)象都來源于電荷的定向運動。根據(jù)這一論斷，人們會提出一系列的問題。地球內部的這些電荷在哪里？怎么獲得的這些電荷？這些電荷又是怎樣運動的？驅使這些電荷運動的能量又來自哪里[2]？針對這些疑問，現(xiàn)在，我們有必要關注一下這樣一個問題：地球內部物質在高溫高壓環(huán)境下，物質的物理狀態(tài)和物理性質又是怎樣的呢？

筆者基于地球內部物質受到高溫高壓影響的事實，對地磁成因大膽進行推測，嘗試用磁學的研究方法來揭示地磁場的成因。

根據(jù)地震波研究的相關理論，我們得出地球內部的結構和層次的相關結論。地球由地核、地幔和地殼三層構成。地球內部的溫度和壓力與地球內部深度成正比，隨深度加大而逐漸增高，其內核溫度在四千多度左右，壓力約為360萬個大氣壓。眾所周知，物質處于不同的環(huán)境中，具有不同的物理狀態(tài)，也就相應具有不同的物理性質。地球內部物質是高溫、高壓中物質，筆者認為，這些物質的物理狀態(tài)和物理性質應該具有如下特征：高溫使地核里物質的原子被電離，而高壓形成的高密度物質迫使地核里被電離出具有足夠動能的電子，并且使這些電子各自繞著相吸的異性粒子做圓周運動，從而形成環(huán)形電流，也就是磁分子。這種磁分子因壓強而形成，其磁化居里點高于其溫度，就會使地球熱核具有鐵磁性性質。因此筆者進一步推斷，由于在地球熱核里時刻存在著熱傳遞，電子繞正離子運動時會因受到輻射壓力的不平衡而受到力的作用（力的大小跟電子繞正離子運動所受到的周圍輻射壓力差成正比），而使電子繞正離子運動的軸，總是要指向最冷最容易散發(fā)熱量出去的方向，這樣一來，就證明了地表存在地磁的表象機理。

我們知道，物質具有磁性的本質是：構成物質的分子（或基本單元）具有了磁矩，在一定的條件下形成了某種自組織或他組織結構，使分子磁矩的排列，具有了一定的規(guī)律，產生了宏觀的磁場。[3]那么，地球磁場的產生機理是自組織現(xiàn)象還是他組織結構？它是怎樣產生的？筆者研究后認為，地球磁場的產生跟地球自身因素有關，也受外界因素的影響。已有的科學研究證實，地球的快速自轉，使得它的形狀發(fā)生了改變，變成了一個兩極扁平、赤道部位較鼓的扁球體;地球表面獲得太陽光照的熱量由赤道向兩極步步減少，因此造成赤道地區(qū)溫度較高，而兩極地區(qū)溫度較低。所以，地球的自轉和太陽對地球的光照不均都會影響到地球內部熱量散發(fā)的路線。關于地球內部熱量散發(fā)路線圖與地球磁場的起源的關系，下面簡略加以論證：

（1）根據(jù)上文的推測，地球內部高溫熱核熱量的散發(fā)，熱核里的電子繞正離子運動的軸總是要指向最冷最容易散發(fā)熱量出去的方向，而使地球內部熱核里的電子繞正離子運動變得有規(guī)則的排列。

（2）電子繞正離子運動規(guī)則排列軸的連線是一幅地球內部熱量散發(fā)路線圖，也是一幅磁體磁場示意圖（如圖）。示意圖里每條連線上有少部分取向相反的磁分子經過熱的擾動、磁化力和指向力的共同作用，使整條連線變得取向一致，地球南北兩極顯示出磁性，形成了現(xiàn)在的地磁場。

基于筆者闡明的地球磁場的形成原因，對地球磁場起源的研究，筆者的心得主要有兩點：一是要注意觀察地球外部的環(huán)境條件及現(xiàn)象;二是要弄清地球內部的環(huán)境和物質的物理狀態(tài)和性質。弄清楚地球自身的這些特征，地球磁場的產生機理就明晰了。

三、地球非偶極子磁場的形成

非偶極子磁場又稱剩余磁場，也有人叫異常磁場。從地球磁場中減去偶極磁場，剩下的磁場稱為非偶極子磁場。非偶極子磁場主要分布在亞洲東部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等幾個地域，平均強度約占地磁場的10%。[4]但是有關非偶極子磁場的成因，目前學術界爭議不斷。筆者認為非偶極子磁場的產生原因也可以根據(jù)上文地磁場形成的原理進行推理驗證。地球內部高溫熱核熱量的散發(fā)，熱核里的電子繞正離子運動的軸總是要指向最冷最容易散發(fā)熱量出去的方向，而使電子繞正離子運動變得有規(guī)則的排列。電子繞正離子運動規(guī)則排列軸的連線是一幅地球內部熱量散發(fā)路線圖，也是一幅磁體磁場示意圖。在這幅磁體磁場示意圖里也含有少部分與大部分取向相反的磁力線。現(xiàn)在科學研究證明：在磁體的外部，磁感線從N極出發(fā)，最后回到S極。這樣就給部分N極出發(fā)的磁感線提供了一個便捷的通道，使人們在地球表面測量到的所謂東西向的非偶極子磁場。這種非偶極子磁場在地球上存在，其他天體上也存在。比如：太陽上既有南北兩極正負相反的普遍磁場，又有東西對峙極性相反的整體磁場。

四、其他天體上的磁場

筆者認為，按照作者提出的地磁場形成原理，也可以用來解釋其他天體的磁場產生機理。按這一原理就不難解釋離太陽較遠，接受到太陽輻射較少的天王星和海王星為什么有磁場了。這主要是因為它倆都有足夠大的體積和質量，給內部提供了足夠的溫度和壓力，加上它倆的自轉較快，形狀都呈明顯的扁球體，所以會產生磁場。那么，金星的質量和體積，還有物理條件幾乎與地球沒有差別，內部也具有足夠大的熱核與壓力為何沒有磁場？其原因有二，一是 金星的自轉太慢（周期為243個地球日），因而扁率很小，在太陽系八大行星中形狀是最接近標準球形的;二是金星表面的云層如鏡面，把大部分來自太陽的輻射都反射回了天空，所以金星表面獲得太陽光照的熱量是不多的，再加上金星的大氣主要構成成分是二氧化碳和硫酸云，而二氧化碳和硫酸云都屬于溫室氣體，對金星起到了保溫的作用，再加上金星上層的大氣流動的很快，風速為400公里/小時，這樣快的風速只要四個地球日，就可以環(huán)繞金星一圈，能均勻地傳遞熱量，造成金星表面上沒有地區(qū)、季節(jié)、晝夜溫差之分。[5]基于此，金星內部的熱量散發(fā)路線是從中心點往四面八方散發(fā)出去的，它的內部熱量散發(fā)路線圖不像一幅磁體磁場示意圖，所以金星沒有磁場。那么，火星、水星、月亮和一般的衛(wèi)星為何磁場微弱或沒有磁場？這主要是因為它們體積小，質量少，內部沒有足夠的溫度和壓力，不能夠形成磁分子，因而其磁場微弱或沒有磁場。

綜上可知，天體具有磁場，要滿足兩個條件。第一，要有足夠大的體積和質量，也就是內部要有足夠的溫度和壓力;第二，自轉速度要足夠的快，能使赤道直徑比極直徑長一些或長更多，或者表面要受到外界光照的影響，赤道地區(qū)的溫度周期性變化的平均值，比兩極地區(qū)的溫度周期性變化的平均值高些或高更多。唯有如此，天體才會有磁場，這在太陽系各星球中適用，在銀河系各星球中也適用。

除上述外，筆者提出的地磁成因新解還表明，天體的自轉是天體磁場成因的一個重要因素，但自轉的快慢與天體磁場值的大小沒有實質上的聯(lián)系，天體表面磁場兩極磁場值的大小與天體的密度和質量有關。即天體表面磁場兩極磁場值的大小，與天體的直徑成反比（大氣層不計），與天體的質量成正比。無論是地球、太陽、木星、土星或宇宙中其他具有磁場的天體，都符合這一基本結論。根據(jù)這一結論，可以解釋天體的磁場強度。例如，太陽、木星、土星的磁場要比我們居住的地球磁場強的多，這是由于太陽、木星、土星的質量比地球質量大的多，而脈沖星磁場非常強大的原因是脈沖星質量大，體積小的原因。

五、地磁成因新解說的科學性

以往人們對地球磁場的形成原因提出了多種假說，但那些假說都難以解釋地磁場的時空變化現(xiàn)象，而本文筆者提出的地磁成因新解說，能很好地解釋地磁場和其他天體磁場空間分布的不均勻性和隨時間不斷變化的諸多特性。[6]

（一）地磁場和其他天體磁場的變化原因

經過科學測定，地球磁場是在變化著的，磁極的位置與各處的磁場強度，都在隨時間不停地在緩慢變化。筆者認為磁場變化的原因，也可以根據(jù)上文地磁場形成的推測理論分析。

地球內部高溫熱核熱量的散發(fā)，熱核里的電子繞正離子運動的軸，總是要指向最冷最容易散發(fā)熱量出去的方向，而使電子繞正離子運動變得有規(guī)則的排列。電子繞正離子運動規(guī)則排列軸的連線，也就像磁力線里套著一環(huán)一環(huán)的線圈，能量高的電子繞正離子運動，磁通量發(fā)生變化時，也就是電子繞正離子運動傳遞能量時，被下一個繞正離子運動且能量較低的電子所吸收，所以地球內部不論南北磁極，磁場的磁力線，都可以看成是地球內部熱量散發(fā)的主路線。經過一段時間的散發(fā)，地磁兩極熱核所對的地幔與地殼溫度就會逐漸地高起來，由于熱核里的電子繞正離子運動的軸，總是要指向最冷最容易散發(fā)熱量出去的方向，而使地磁兩極位置不斷地移動。也就是說，地球表面的磁極位置不斷地移動變化，是為了地球內部熱核更好地散發(fā)熱量。由此可知，地球磁場在不停地緩慢變化是地球內部一種熱傳遞而導致的現(xiàn)象，地球內部磁場的磁力線不論南北磁極，都可以看成是地球內部熱量散發(fā)的主路線。

從而，也就不難解釋溫度較低的太陽黑子區(qū)域，為何是日面上磁場最聚集的區(qū)域，磁場強度又為何會隨時間不停地變化，正是由于太陽具有與地球相同的內源磁場，因此兩者具有相同的一種熱傳遞，內部磁場的磁力線，不論南北磁極都可以看成是太陽內部熱量散發(fā)的主路線。所以當溫度較低的太陽黑子剛生成時，黑子區(qū)域的磁場就會迅速聚集增強;隨著黑子的溫度升高瓦解時，磁場也就會逐步消失移到另外溫度較低的地方去。事實上，太陽磁極位置不斷地移動變化，11年倒轉一次都是基于太陽內部能更好地散發(fā)熱量。而太陽黑子、耀斑等活動是太陽內部這種熱傳遞所表現(xiàn)出來的現(xiàn)象。同理，也可以解釋天王星和海王星為什么會有多個磁極了。這是由于天王星和海王星的磁偏角都比較大，為了內部能更好地散發(fā)熱量，天王星和海王星磁極位置必須不斷地移動和變化。

（二）天體磁偏角的產生

地球的磁場兩極與地理兩極的位置比較接近，但不會重合，而是有著一個較小的夾角，這一夾角大家稱磁偏角。地球有磁偏角在天體中并不怪異，其他許多天體也有磁偏角。比如，木星的磁偏角目前是10度，海王星的磁偏角目前是47度。但是關于天體磁偏角的成因，目前學術界還沒有一個準確合理的解釋。而根據(jù)天文學的觀測數(shù)據(jù)，人們發(fā)現(xiàn)，圍繞太陽運行的各行星磁偏角的大小跟行星自轉軸傾斜的角度大小基本上成正比關系。也就是自轉傾角越大的行星，其磁偏角的度數(shù)就越大。[7]為什么會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象呢？筆者認為這一自然現(xiàn)象并非巧合，主要是因為有些天體磁場的產生跟自身因素有關，也受到外界因素的影響。這個現(xiàn)象的實質是各行星的自轉傾角的不同，使其受到太陽光照的地理位置不同而導致的。根據(jù)上文筆者提出的地磁場形成機制和變化原因可知，天體的磁偏角大小跟天體的扁率有關（大氣層不計），天體的扁率越大，它的磁偏角也就越小。也有些天體會受到外界光照的影響，如果赤道地區(qū)的溫度周期性變化的平均值高，而兩極地區(qū)的溫度周期性變化的平均值低，那么赤道與兩極地區(qū)的溫度周期性變化的平均值高低相差越大，天體的磁偏角就越小。所以就會有上述現(xiàn)象。

如上所述，太陽是顆恒星，它沒有受到外界光照的影響，自轉一周需要27個地球日，因而扁率較小，所以它的磁偏角相當大，大到了可以發(fā)生磁極翻轉。土星在太陽系行星中形狀是最扁的，再加上受到太陽光照的影響，赤道地區(qū)的年平均溫度值，明顯高于兩極地區(qū)的年平均溫度值，所以它的磁偏角在太陽系行星中最小。天王星和海王星是冰巨星，外形比地球扁，由于距太陽較遠，接收到的太陽輻射較少，因而赤道地區(qū)與兩極地區(qū)沒有多大的溫差，所以二者的磁偏角比地球的磁偏角還要大。值得一提的是，一個星球如果它的磁偏角很大，大到了接近90度，其磁場極性就會出現(xiàn)周期性倒轉。而天王星、海王星、地球的磁偏角由于都沒有接近到90度，所以其磁場的南極和北極只能在地理南北極點一定的范圍內移動，但絕不會倒轉。

六、結語

因為地球內部的溫度遠遠超過磁性物質的居里點，所以許多人對地球磁場成因的研究，往往忽略了物質具有磁性的本質，這就導致地球磁場成因的研究變得困難重重，所提出的各種假說都不能對地磁場各種現(xiàn)象做出科學合理的解釋，使得地磁的成因到現(xiàn)在仍不明晰。本文筆者依據(jù)電磁現(xiàn)象的本質，基于磁學的研究方法，重新研究了地球磁場的產生機理和變化原因，推理出地球磁場是因為地球內部物質受到高溫高壓和地球的快速自轉以及地球受到太陽光照的共同作用而產生的。這種磁場與人們觀測到的地磁場的各種事實基本符合，能夠合理地解釋地磁場和其他天體磁場的各種現(xiàn)象，還能預測未來地磁場和其他天體磁場的變化趨勢，因此是一種比較接近事實與合理的假說。但本文存在的問題是有些地方的觀點與現(xiàn)在的主流觀點有相悖之處，希望大家多提意見并指正，使本文的觀點更加合理，更加接近事實。

參考文獻：

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[2]陳維會.地球磁場成因新解[EB/OL].https：//www.taodocs.com/p-93128516.html，2017-11-14.

[3]李安生，李國棟.對地磁發(fā)電機理論的反思與天體磁場研究的展望[J].地球物理學進展，2010，25（3）：809-816.

[4]賴柏林.地球的非偶極子磁場是怎樣形成的[EB/OL].http：//idea.cas.cn/search.action.2014-04-18.

[5]百度百科.金星（太陽系八大行星之一）[EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/%E9%87%91%E6%98%9F/19410？fr=aladdin.2013-07-15.

[6]鐘萃相.地磁場和其他星球磁場的形成原因及磁偏角與磁倒轉[J].環(huán)球人文地理，2016，（20）：43-47.

[7]徐列明.行星磁極為什么與自轉軸偏轉[EB/OL].http：//bbs.tianya.cn/post-29-532629-1.shtml.2013-07-15.