地球磁場蹤跡與作用之管見

張成厚

（安徽省孫疃鎮(zhèn)楊柳中心校 ，安徽 淮北 235000）

一、地球磁場的成因

當(dāng)把太陽作為地球運(yùn)動(dòng)的慣性參照系時(shí)，地球既有自轉(zhuǎn)，又繞太陽沿著一定的軌道不停地公轉(zhuǎn)［1］。

圖1 太陽光進(jìn)入大氣層示意圖

地球連同大氣層相當(dāng)于一個(gè)中間有褐色斑點(diǎn)的凸透鏡（圖1），太陽就是一個(gè)大光源。當(dāng)太陽的平行光線射在這個(gè)凸透鏡上時(shí)，與地球正陽面大氣層中的光敏粒子產(chǎn)生光電效應(yīng)［2］。地球正面大氣層中光敏粒子的核外電子被太陽光激活和包圍，這些電子隨光的折射被聚焦到地球背陽面大氣層外的焦點(diǎn)處，形成太陽能焦點(diǎn)負(fù)電場。原光敏粒子失去電子而帶上了正電荷，大量的正電荷聚集在地球正陽面大氣層中，形成太陽能正電場（圖2）。

圖2 光電效應(yīng)形成正負(fù)電場示意圖

由于地球連帶大氣層由西向東自轉(zhuǎn)，使太陽光線相對(duì)地球大氣層表面由東向西運(yùn)動(dòng)。顯然，地球正陽面大氣層中的太陽能正電場（圖3①）也隨著太陽光同步由東向西運(yùn)動(dòng)。同時(shí)地球背陽面大氣層外的太陽能焦點(diǎn)負(fù)電場（圖3②）也同步相應(yīng)移動(dòng)。地球背陽面大氣層外的太陽能焦點(diǎn)負(fù)電場位移后，原焦點(diǎn)處滯留著大量的負(fù)電荷（圖3③）。

由于電子具有質(zhì)量，根據(jù)慣性定律［3］66－67，原焦點(diǎn)處滯留的大量電子要向大氣層以外的空間散逸。同時(shí)由于太陽能的作用，地球及其大氣層潛存著大量的正電荷，這些正電荷又牽引著那些欲散逸的電子。且那些電子還受到新焦點(diǎn)負(fù)電場（圖3②）的斥力。這三個(gè)力的合成結(jié)果，使原焦點(diǎn)處的電子，一方面離開新焦點(diǎn)，另一方面又相對(duì)太陽能正電場偏過地心一側(cè)，向地球正陽面大氣層中的太陽能正電場靠近，且引力相互作用越來越大。

圖3 正負(fù)電場放電示意圖

這樣在地球赤道上方，沿黃道面的環(huán)帶大氣層中，便產(chǎn)生了電荷的定向移動(dòng)，形成了環(huán)帶電流和環(huán)帶電流的磁場。由右手螺旋定則，得出這個(gè)磁場的N極在地球南極附近，S極在地球北極附近。這個(gè)磁場就是地球磁場，它來源太陽的光能。

二、環(huán)帶大氣層的機(jī)理

地球赤道上方的大氣層，沿黃道一帶受太陽光照較強(qiáng)，大氣層中正電荷密度較大，電荷的轉(zhuǎn)換活動(dòng)重點(diǎn)集中在赤道上方附近沿黃道一帶進(jìn)行。而地球南北極上方附近的大氣層，受太陽光照射較微弱，可視為不涉及電荷的轉(zhuǎn)換活動(dòng)。整個(gè)大氣層以圓形氣體外殼包裹著地球。當(dāng)削去地球南北兩端無電荷轉(zhuǎn)換的氣體球冠時(shí)，這當(dāng)中的大氣層就是一個(gè)圍著地球的環(huán)帶（圖4）。

三、地球磁場兩極的狀態(tài)

受地球環(huán)帶大氣層中環(huán)帶電流的制約，地球磁場兩極應(yīng)是處在大氣層中的環(huán)形［4］。其環(huán)形中心點(diǎn)應(yīng)在黃軸上，環(huán)形中心線也應(yīng)是平行于黃道面的封閉的圓形曲線（圖5）。

圖4 環(huán)帶大氣層示意圖

圖5 環(huán)形磁極示意圖

四、有關(guān)地球磁極即時(shí)位置的計(jì)算公式參考圖

從地球磁場的成因可知，地球正陽面、背陽面存在著一正一負(fù)兩種太陽能電場，且運(yùn)動(dòng)著形成放電條件，進(jìn)而形成了環(huán)帶電流和環(huán)帶電流的磁場——地球磁場。

這個(gè)運(yùn)動(dòng)著的地球磁場兩極的軌跡，均在南北緯約66.5度的緯線圈上方。也就是說，地球磁場軸與黃軸靠的很近，可以說是連體兄弟。

根據(jù)地球磁場的成因，可推出地球磁場北極（或南極）即時(shí)地理坐標(biāo)計(jì)算公式。為了方便起見，后邊將把地球磁場北極即時(shí)地理坐標(biāo)計(jì)算公式提出來。而公式的推導(dǎo)過程暫且不說。而且還把公式計(jì)算的字母代號(hào)和術(shù)語也標(biāo)注出來，以便應(yīng)用。但是，這里需要先給出圖6、圖7、圖8，重點(diǎn)供讀者在解讀公式（1）～（5）時(shí)參考。

五、地球磁場有關(guān)計(jì)算公式

當(dāng)λΔ＜λ天時(shí)，得tD＝［360°－（λ天－λΔ）］×240秒／1°，化簡為

注：我國冬至交節(jié)時(shí)刻（可變應(yīng)用常數(shù)）t冬；冬至?xí)r刻太陽垂射中心點(diǎn)經(jīng)度（可變應(yīng)用常數(shù)）λ冬；冬至到實(shí)測日期的周天時(shí)刻t′冬＝t冬；測定時(shí)刻所在日期距冬至周天數(shù)t天；實(shí)測最佳時(shí)刻與周天時(shí)刻的時(shí)段tD；周天時(shí)刻地球磁場北極經(jīng)度λ天；測量日最佳測量時(shí)刻tΔ；最佳測量時(shí)段tDZ；地球磁場北極緯度66.50常數(shù)（其他維度用φx，x為序數(shù)）φ；

最佳測量時(shí)刻前后理想時(shí)段t，（15′≤t≤60′）；東經(jīng)和西經(jīng)轉(zhuǎn)換為順時(shí)針方向360°內(nèi)統(tǒng)一角λx（x為序號(hào)）；地球磁場北極即時(shí)地理坐標(biāo)ps；冬至到實(shí)測日期周天時(shí)刻太陽垂射中心點(diǎn)經(jīng)度數(shù)λ′冬（λ′冬＝λ冬）；地球磁場即時(shí)經(jīng)度λs。

六、地球磁場有關(guān)公式應(yīng)用舉例

北京計(jì)時(shí)法，假設(shè)當(dāng)年12月21日22時(shí)30分是冬至交節(jié)時(shí)刻，太陽垂射中心點(diǎn)為東經(jīng)136°30′E。計(jì)劃明年5月16日，在某測點(diǎn)A（38°1′w，φ）測定地球北極磁場從這里經(jīng)過的活動(dòng)情況。問最佳測量時(shí)刻t（ps經(jīng)過測點(diǎn)上空時(shí)刻）是多少？最佳測量時(shí)段是多少？（即t＝±60′范圍內(nèi)）。

解：把λ冬＝136°30′E，t天＝10＋4×30＋16＝146天，

代入公式（1），得

由公式（2）得

由公式（4）得

由公式（5）得

由計(jì)算結(jié)果可知：明年5月16日在A（38°1′w，φ）點(diǎn)測量地球磁場北極活動(dòng)情況，最佳時(shí)刻是24：25，即5月17日0：25。最佳測量時(shí)段是5月16日23：25—25：25，即5月16日23：25—5月17日1：25。

七、地球受太陽風(fēng)暴影響有關(guān)問題解析

（一）太陽風(fēng)暴的初期現(xiàn)象和機(jī)理

大氣層是不均勻的一團(tuán)團(tuán)氣態(tài)質(zhì)體，且是流動(dòng)的；環(huán)形磁極也是不停運(yùn)動(dòng)的，于是在環(huán)形磁極兩極的活動(dòng)區(qū)域，一團(tuán)團(tuán)大氣便切割磁力線產(chǎn)生感生電動(dòng)勢。在氣團(tuán)與氣團(tuán)首尾接近一定距離時(shí)，便進(jìn)行放電。由于高空氣體稀薄，應(yīng)是輝光放電占主導(dǎo)地位，于是產(chǎn)生環(huán)形極光。平時(shí)太陽活動(dòng)不在高峰期，光輻射正常，相應(yīng)產(chǎn)生的環(huán)形極光較微弱。當(dāng)太陽活動(dòng)高峰期產(chǎn)生太陽風(fēng)暴之際，相應(yīng)的環(huán)形極光亮度大幅度加強(qiáng)，才會(huì)使人們看到美麗的光環(huán)，其實(shí)質(zhì)是磁暴現(xiàn)象。

于是在地球兩極附近地球磁極的活動(dòng)區(qū)域，便會(huì)輪流產(chǎn)生高壓電纜切割強(qiáng)磁力線現(xiàn)象。強(qiáng)大的感應(yīng)電流或感生電動(dòng)勢，加重并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電纜負(fù)荷。從而產(chǎn)生電暴和電纜燒毀等現(xiàn)象，給社會(huì)生產(chǎn)和人們生活造成損失。當(dāng)然，太陽風(fēng)暴的破壞作用遠(yuǎn)不止這些電磁現(xiàn)象。

（二）太陽風(fēng)暴的預(yù)測和最初防災(zāi)措施

由上文“地球磁場的成因”可知，地球磁場和太陽直射點(diǎn)各有軌道，各有周期，且異步對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)。因此，地球南北兩極周圍在太陽風(fēng)暴期間某個(gè)地區(qū)或城市，每天在什么時(shí)刻或時(shí)段可能反映最強(qiáng)烈，可以通過相應(yīng)公式計(jì)算來判斷確定。

公式解讀參考圖

關(guān)于地球南北兩極周圍，在太陽風(fēng)暴期間對(duì)電纜的維護(hù)，可預(yù)先裝設(shè)防電暴地線。于太陽風(fēng)暴期間，在地球環(huán)形磁極經(jīng)過某地區(qū)或城市的時(shí)段里，便暫時(shí)停止該地供電約兩個(gè)小時(shí)（從磁偏角推測），并斷開所有電路，接通預(yù)設(shè)防電暴地線。待環(huán)形地球磁極運(yùn)行過去后，該地再恢復(fù)供電。

為了安全起見，相關(guān)地區(qū)或城市還可以裝設(shè)南北方向的一段段電線，配備感生電動(dòng)勢測試儀，用之測量地磁極的到來和離去。注意，這種強(qiáng)磁現(xiàn)象一旦出現(xiàn)，便有可能是兩個(gè)脈沖高峰。為什么會(huì)有兩個(gè)脈沖高峰呢？因地球環(huán)帶大氣層形成的環(huán)形磁極的中心部位形如空磁區(qū)域，強(qiáng)磁部位應(yīng)在環(huán)形上。如圖9所示，第一脈沖過去后，接下是環(huán)形磁極內(nèi)部空磁區(qū)，再接著就是第二脈沖到來。

圖9 環(huán)帶大氣層磁力線走向示意圖

（三）太陽風(fēng)暴引起的磁暴在地球兩極的活動(dòng)區(qū)域

太陽風(fēng)暴引起的磁暴在地球兩極的活動(dòng)區(qū)域，由上文“地球磁場的成因”可知：應(yīng)在地球南北緯約66.5度兩個(gè)緯線圈上方一帶。其經(jīng)度角速度比太陽直射點(diǎn)經(jīng)度角速度稍快一些。同時(shí)與太陽直射點(diǎn)各有軌道（前者固定圓周形，后者螺旋線形）。并且，兩者所處的經(jīng)圈二面角在0～180度間周期性波動(dòng)。如圖10所示，是某日期三個(gè)時(shí)刻兩者的運(yùn)動(dòng)狀況，在地球南北緯66.5°緯線圈上的投影。其實(shí)，環(huán)形磁極所涉及的范圍應(yīng)很廣（從磁偏角推測）。

地球是人類的共同家園。太陽風(fēng)暴引起的災(zāi)害和其他現(xiàn)象，首先要在地球兩極通過磁暴即強(qiáng)極光現(xiàn)象、和電暴（電纜焚燒）等現(xiàn)象呈現(xiàn)給人類。但是，其巨大能量還可能會(huì)以其他能的轉(zhuǎn)換形式，給人類造成損失。如果電暴現(xiàn)象能用較簡單易行的方法和措施進(jìn)行有效防范，最大限度降低地球兩極附近電力系統(tǒng)損失，無疑會(huì)提高人類下一步的抗災(zāi)能力。地球兩極約66.5度緯度沿線附近的城市和地區(qū)，可根據(jù)所在地的地理坐標(biāo)，用公式計(jì)算，制定出太陽風(fēng)暴引起的磁暴和電暴可能發(fā)生的時(shí)刻表，這樣，就有可能提前做好本地區(qū)供電系統(tǒng)的防護(hù)工作。簡易防護(hù)方法如圖11所示，以供強(qiáng)磁極經(jīng)過某地前后能即時(shí)停電和供電，減少停電時(shí)段，提高安全系數(shù)。

圖10 地球環(huán)形磁極運(yùn)行示意圖

圖11 電纜防電爆示意圖

［1］劉男.地球概論［M］.北京：高等教育出版社，1987.

［2］程守洙，江之永.普通物理［M］.北京：高等教育出版社，1999.

［3］程守洙，江之永，胡盤新.普通物理學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1990.

［4］王水，方勵(lì)之.太陽風(fēng)中的大尺度漩渦波［J］.中國科學(xué)，1979（04）.