摘要：盡管人們很早就發(fā)現(xiàn)并利用了地磁場，并對地磁場的成因提出了多種假說，但至今仍無一種假說能夠圓滿解答各種問題。于是作者重新研究了地磁場的形成和變化機制，發(fā)現(xiàn)地球大氣層在太陽紫外線和宇宙射線的作用下能產生大量的正離子和負離子，然后形成云上正電荷層和云下負電荷層，伴隨地球的自轉就產生了迭加的地磁場。這種磁場符合人們已發(fā)現(xiàn)的地磁場的所有特點，能夠很好地解釋地磁場空間分布的不均勻性和隨時間不斷變化的特性，包括磁偏角和地磁倒轉的現(xiàn)象。其他星球磁場的形成原因與倒轉規(guī)律類似。

關鍵詞：地磁場；磁偏角；磁倒轉；云電荷；星球磁場

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

早在兩千多年前，中國古代勞動人民就積累了對磁現(xiàn)象的認識，發(fā)明了指南針，并應用于航海和旅行。這從北宋沈括的《夢溪筆談》中關于指南針的記載也可知，我國的確對地磁的利用和磁偏角的認識非常早。雖然中國指南針的發(fā)明比歐洲指南針的發(fā)明要早800年，但從未能從理論上揭示出“磁現(xiàn)象的電本質”，直到1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)了“電流的磁效應”和1821年法拉第發(fā)現(xiàn)了“電磁感應現(xiàn)象”并利用其中的原理發(fā)明了電動機和發(fā)電機，人們才對“磁現(xiàn)象的電本質”有了根本性認識[1]。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(guī)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[2，3]。于是作者根據地球及一般星系的形成和演進規(guī)律，研究了地磁場的形成和變化機制，發(fā)現(xiàn)了地磁場的形成原因和變化規(guī)律。特作如下介紹。

2.地磁場的時空特征

從空間分布來看，地球可視為一個磁偶極，地磁南極位于地理北極附近，地磁北極位于地理南極附近，而且地磁兩極和地理兩極之間并不完全重合，兩者之間存在著一個夾角，稱為磁偏角。隨著地球磁極的緩慢移動，磁偏角也在緩慢變化。另外，整個磁場的強度在北美、西北利亞和南極大陸附近達到最大值，而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）受到帶電粒子的力影響而被擠壓，在地球黑夜區(qū)（背日面）則向外伸出[4]。

地磁場不僅空間分布不均勻，而且隨著時間不斷變化。按時間尺度可分為慢速變化和快速變化。慢速變化（又稱長期變化）包括地磁在穩(wěn)定期的強度改變、磁極在地表的移動和磁場西向漂移（westward drift）等現(xiàn)象；快速變化則主要表現(xiàn)為地磁倒轉和飄逸。在地磁倒轉時，地磁強度將大幅度減少，并且結構變得更為復雜。距離現(xiàn)在最近的一次地磁倒轉發(fā)生在78萬年前，稱為松山—布容倒轉。Sagnotti等人的研究發(fā)現(xiàn)，完成該倒轉的時間小于100年。這個結果對地磁形成的地球發(fā)電機模型提出了極大的挑戰(zhàn)，至今爭議不斷[4- 6]。

另外，地磁場是一個弱磁場。地面上的平均磁感應強度為0.5×10- 4 T，南北兩極處的磁感應強度為（0.6～0.7） ×10- 4 T。調查還發(fā)現(xiàn)，最近2000年來地磁強度一直在減弱，現(xiàn)金地磁場的強度較1840年已經下降了10%（不間斷地磁記錄自1840年開始），平均每百年下降5%。2013年底，歐洲太空局發(fā)射了新一代地磁衛(wèi)星Swarm，其最新觀測結果顯示，地磁強度正在加速下降，速度為以前預算的10倍。至于為何地磁場是一個弱磁場而且地磁強度一直在減弱，目前尚不知曉，已成為科學中的熱點問題。

3.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形成的原因，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[2，3]。

（1）鐵磁成因說

由于人們發(fā)現(xiàn)地磁場類似于一個在地心插入大條形磁鐵形成的磁場，因此認為地球內部是一塊均勻磁化的大磁鐵。特別是后來地球物理學家提出了地核由鐵鎳等金屬組成，從而在某些方面支持了這個假說。但是地球內部的溫度早已超過了鐵的居里點，一切鐵磁質的磁性都將消失?？梢?，地磁場的鐵磁成因不成立。

（2）地表電荷旋轉說

該假說認為，如果地球表面帶有負電荷，負電荷隨地球一起自西向東旋轉形成了一個自東向西的圓電流，這個圓電流就是電磁場的成因。但根據這種形成機制估算的地球兩極處的磁感應強度是（0.36×10- 4） ×10- 8T， 而實際地球兩磁極處的磁感應強度是（0.6～0.7）×10- 4 T，約等于旋轉電荷形成的地磁場的108倍?？梢?，地表電荷旋轉說也不成立。

（3）發(fā)電機理論

上個世紀四十年代中期，人們開始從地球內部物質的運動和磁場的相互作用來探索地磁場的成因，最具代表性的假說是“發(fā)電機理論”。該理論認為地核中的溫度很高，鐵鎳等金屬已成液態(tài)。由于地核中的放射性元素不斷釋放熱能，造成各處溫度不均勻，致使液態(tài)金屬對流形成渦流。只要有極小的初始磁場存在，渦流中就會產生感應電流，感應電流產生的磁場又會加強原來的磁場，磁場增強引起感應電流增強，從而進一步加強磁場。如此反復，就形成了現(xiàn)在的磁場。但這種假說無法解釋地磁場空間分布的不均勻性和隨時間不斷變化的諸多現(xiàn)象，包括地磁極性倒轉等。

（4）地幔電場旋轉說

由于鐵磁質在770℃（居里溫度）的高溫中磁性完全消失，在地層深處的高溫狀態(tài)下，鐵會達到并超過自身的熔點呈現(xiàn)液態(tài)，絕不會形成地球磁場。而應用“磁現(xiàn)象的電本質”和物理學的研究成果可知，高溫高壓下的物質，其原子的核外電子會被加速而向外逃逸。所以，地核在6000K的高溫和3600個大氣壓的環(huán)境中會有大量的核外電子逃逸出來，地幔會形成負電層。按照麥克斯韋的電磁場理論：電動生磁，磁通生電。所以，要形成地球南北極式的磁場，必須形成旋轉的電場，而地球自轉會造成地幔負電層旋轉，形成旋轉的負電場，從而產生磁場。但該假說也難以解釋地磁場空間分布的不均勻性和隨時間不斷變化的諸多現(xiàn)象。

（5）自激發(fā)電機說

目前比較有影響的是“自激發(fā)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(fā)現(xiàn)這個速度差不可能激發(fā)現(xiàn)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。

4. 地磁場的成因

4.1從大氣層的形成與演進揭示地磁場的成因

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(xiàn)了。而迄今發(fā)現(xiàn)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(xiàn)在大氣三個階段[7]。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(xiàn)出不同的特點，可分成多個層次[8]：

（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(tài)。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(tǒng)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?？娠w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(xù)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(fā)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。此外，由于地球表面71%是海洋，陸地面積僅占29%，而且海洋彼此相連，陸地被海洋分割成一些陸塊，因此有國外媒體報道在任何時刻，地球都有大約70%的區(qū)域被云層覆蓋，如圖1所示。這是美國宇航局使用Aqua衛(wèi)星獲得檢測數據后制作的一幅地圖，它展示了籠罩在云層下的地球美景。

由于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(yōu)先吸收大氣中的負離子，這樣就使水滴逐漸帶上了負電荷。當對流活動開始時，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，就留在下部，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。

根據前面的統(tǒng)計數據和航拍云層圖可知，地球有大約70%的區(qū)域被云層覆蓋，在一些彼此相連的海洋區(qū)域上空有環(huán)繞地球的云層（主要包括中云和低云）。另外，當天空中空氣的濕度很大、兩塊云之間的有電壓差時，潮濕的空氣也會變成導體，使電流通過天空。故當地球自西向東自轉時云層下部的負電荷跟著旋轉，形成一個自東向西的圓電流，從而產生一個磁南極位于地理北極附近而磁北極位于地理南極附近的磁場；與此同時，云層上部的正電荷也跟著旋轉，形成一個自西向東的圓電流，從而也產生一個極性相反的磁場。但是云層下部比云層上部離地面近得多，因此前一磁場比后一磁場要強，兩個磁場迭加后就產生了現(xiàn)在的地磁場，其地磁南極位于地理北極附近，地磁北極位于地理南極附近。

雖然大氣電場也引起地表帶有負電荷，但是地表負電荷對地磁場的影響非常小。因為如果負電荷隨地球一起自西向東旋轉形成了一個自東向西的圓電流[2]，這個圓電流然后產生了磁場，則根據這種形成機制估算的地球兩極處的磁感應強度是（0.36×10- 4） ×10- 8T， 而實際測得的地球兩磁極處的磁感應強度是（0.6～0.7）×10- 4 T，即旋轉地表電荷所形成的磁場強度只是實際地磁場強度的1/108?？梢姷乇碡撾姾蓪Φ卮艌龅挠绊懞苄?。

4.2地磁場成因新解說的科學性

綜上可見，無論是最具代表性的 “發(fā)電機理論”還是其他特殊假說都難以解釋地磁場空間分布的不均勻性和隨時間不斷變化的諸多特性，而本文提出的地磁場成因新解說則能很好地解釋地磁場的時空多變性，因此是更科學合理的解說。

（1）地軸傾斜的原因與磁偏角的產生

人們很早就發(fā)現(xiàn)并利用了磁偏角，但關于磁偏角的產生和變化仍然是個謎。對于地軸傾斜的原因，人們也搞不清楚。如果我們從大氣層的形成和運動來分析其成因則能容易地解決這幾個問題。

原始地球只有稀薄的大氣，比較均勻地包裹在地球周圍，太陽對大氣的照射不會對地球向日面和背日面產生太大的壓力差，這使得地球的原始轉軸基本上垂直于地球軌道平面，與大氣圈的自轉軸基本保持一致。但是，隨著地球不斷地從軌道附近吸收宇宙微塵和氣體，其質量變得越來越大，地球吸引的大氣層也變得越來越厚，現(xiàn)在地球大氣層的厚度可達上萬公里；由于大氣運動的不均勻性，導致了地球上不同地區(qū)的大氣壓力有明顯差別，從而導致了地軸發(fā)生偏轉。事實上，向日面赤道和低緯度地區(qū)受熱較多，空氣容易膨脹，變輕上升；極地和高緯度地區(qū)受熱較少，空氣收縮下沉。由于赤道地區(qū)上空的氣壓高于極地上空的氣壓，就使赤道上空的空氣向極地上空方向流動，在極地上空堆積下沉，形成極地高壓區(qū)。另外，太陽直射在北半球的時間比南半球多，即太陽直射點于每年的3月21日至9月23日在北半球移動，此段時間經過遠日點，平均公轉速度較慢，時間約為186天；9月23日至次年3月21日太陽直射點位于南半球，此段時間經過近日點，平均公轉速度較快，時間約為179天，導致北半球夏半年比冬半年長7天，北極點附近極晝比南極附近長約7天. 因此，北極高氣壓時間長于南極高氣壓時間，北極向日區(qū)所受的大氣壓力通常大于南極向日區(qū)所受的大氣壓力，最終導致了地軸向太陽偏轉大約23゜26′，如圖2所示。但是新赤道和低緯度地區(qū)的空氣繼續(xù)向極地上空方向流動，在極地上空堆積下沉，加上新增的緯度跨度為23゜26的向日區(qū)蒸發(fā)起來的水汽，形成新的極地高壓區(qū)，新增向日區(qū)有一半空氣要向極地背日區(qū)移動，結果使大氣圈的自轉軸只傾斜了約11.53゜（≈？×23゜26′），使大氣圈的自轉軸與地軸的夾角大約為11.5゜。所以在太陽照射下，隨著地球及大氣圈的自轉就會產生大約11.5゜ 的磁偏角，如圖3所示。另外，在地球的公轉和自轉過程中，地球大氣圈在不斷但緩慢地變化，造成地球磁極緩慢移動。隨著地球磁極的緩慢移動，磁偏角也在緩慢變化。

（2）地磁場空間分布的不均勻性

在北半球，空氣從極地高壓區(qū)流出并向右偏轉成為偏東風，副熱帶高壓帶流出的氣流北上時亦向右偏轉，成為中緯度低層的偏西風。這兩支氣流在60° N附近匯合， 暖空氣被冷空氣抬升，遇冷成云，從高空分別流向極地和副熱帶。所以在60° N附近，有濃厚寬闊的云層，云的上層能聚集大量的陽離子，云的下層能聚集大量的陰離子，故可形成較強的地磁場。所以在北美和西伯利亞地磁場達到最大強度。另外，流向極地的空氣在極地附近遇寒冷堆積下沉，形成空氣密度大、地面氣壓高的極地高壓帶。由于空氣密度大、天氣寒冷，容易形成濃厚的云層，可形成較強的地磁場。所以在南極大陸附近地磁場強度也達到最大值。

向日面赤道和低緯度地區(qū)受熱較多，空氣容易膨脹，致使赤道地區(qū)上空的氣壓高于極地上空的氣壓，就使赤道上空的空氣向極地上空方向流動，形成赤道低壓帶。在這種低壓帶空氣密度小，云氣淡薄，只能形成較弱的地磁場。所以在靠近赤道的中太平洋地磁場強度達到極小值。南美洲中部也靠近赤道而且比中太平洋更缺乏水汽，空氣密度小，難以形成厚大的云層，只能形成較弱的地磁場，所以南美洲中部地磁場強度可達到極小值 。

（3）地磁場隨著時間不斷變化

隨著地球的公轉和自轉，地球大氣圈在不斷緩慢地變化，造成地球磁極在緩慢地移動。

當地球自西向東旋轉時，云上層陽離子的轉動形成了一個（與地球自轉方向相反）自東向西的圓電流，出現(xiàn)磁場西向漂移（westward drift）現(xiàn)象。

另外，由于云層電荷離地面較高且旋轉速度慢，加之上層正電荷與下層負電荷產生的磁場極性相反，迭加時有部分抵消，導致地磁場是一個弱磁場。特別地，隨著地球質量的不斷增加，大氣層也在增厚，加之人們焚燒化石燃料，如石油，煤炭等，或砍伐森林并將其焚燒時會產生大量的二氧化碳，使對流層內集聚越來越多的溫室氣體。這些溫室氣體對來自太陽輻射的可見光具有高度透過性，而對地球發(fā)射出來的長波輻射具有高度吸收性，能強烈吸收地面輻射中的紅外線，導致地球溫度上升，低空中越來越難形成云層，只有高空寒冷區(qū)域才能形成云層，所以云層越來越高、越來越薄，這是導致地磁強度一直在減弱的原因。

5.地磁場倒轉的原因

根據上面的討論可知，地磁場是由于地球的自轉產生的，地球的自轉方向決定著地磁場的極性方向。根據星系的形成與演進理論[9，10]可知，當地球繞太陽按反時針方向公轉時，地球向日面受到陽光的照射，使該面的溫度高于背面的溫度，從而使該面蒸發(fā)起更多的水汽及其他氣體分子，這些氣體分子被高速流動且層層疊加的平流層包裹在對流層中，逃不出去，所以向日半球的大氣壓強通常大于背日半球的壓強，又因為兩個半球的面積相當，所以向日半球所受的大氣壓力通常大于背日半球所受的大氣壓力，因而向日半球與大氣層的摩擦力通常大于背日半球與大氣層的摩擦力，這就使得地球在繞太陽公轉的過程中自西向東自轉。

根據地磁場的倒轉現(xiàn)象，可以推測地球的自轉曾改變其方向。而要改變自轉的方向則需要另一個恒星的更強烈的照射。由此推測太陽及其父星曾是雙星系統(tǒng)，當太陽帶著地球繞其父星旋轉時，地球受到太陽父星的更強烈的照射，使地球向祖面所受的大氣壓力大于向父面所受的大氣壓力，因而向祖半球與大氣圈的摩擦力大于向父半球與大氣圈的摩擦力，這就使得地球的自轉方向漸漸地發(fā)生改變，地磁場的極性也相應地發(fā)生改變。但因太陽圍繞其父星旋轉，具有較大的活動范圍，更容易獲取燃燒所需的資源，因而太陽的成長速度大于其父星的成長速度。特別是太陽有多層子行星，一些具有濃密大氣層的行星在陽光的照射下不斷地遠離太陽，深入到太陽父星的吸引范圍去掠奪太陽父星燃燒所需的資源。太陽父星在太陽及其多層子行星的圍困和掠奪下漸漸地缺乏資源而變成白矮星，最終使太陽成為發(fā)光發(fā)熱的單星，因而地磁場的極性已長時間沒有發(fā)生改變。如果有朝一日太陽帶著地球經過某個突然變?yōu)槌滦堑那拜呅乔蚺赃厱r，地磁場的極性還可能發(fā)生倒轉。

6.其他星球上的磁場

根據地磁場的形成機制和變化規(guī)律可知，地球之所以出現(xiàn)磁場是因為地球有濃厚的大氣圈和風力移動的云層并受到宇宙射線和光致電離的作用，產生了大量的正負電荷，使云的上層集結著大量的正電荷，云的下層集結著大量的負電荷；隨著地球的快速自轉和云層的移動就產生了電流和磁場。于是可以推斷，僅當一個星球有濃厚的大氣圈并受到太陽紫外線或宇宙射線的作用才能形成磁場。月球及一般的衛(wèi)星因為缺乏濃密的大氣圈或云層，自轉速度又慢而無法形成磁場。水星、金星只有稀薄的大氣，自轉速度也很慢，因而其磁場近乎為零或很微弱。而地球、火星、木星和土星都有濃密的大氣圈和云層及強烈的陽光照射，所以有其磁場，但由于火星上大氣稀薄，其磁場也很微弱[9，10]。一個星球如果受到雙星的照射，其磁場極性可能發(fā)生倒轉。

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(xiàn)象。于是作者從地球的形成與演進出發(fā)，分析了地球大氣層的形成和演進過程，發(fā)現(xiàn)地球大氣層因受到太陽紫外線和宇宙射線的作用，產生了云層電荷，伴隨地球的自轉就產生了地磁場。作者提出的關于地磁場成因的新解說能夠很好地解釋地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(xiàn)象，因此是一個比較科學合理的解說。

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