地球和其他天體磁場的產(chǎn)生機(jī)理和變化原因及磁偏角產(chǎn)生原因與規(guī)律

余紀(jì)輝

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

關(guān)鍵詞： 地球磁場;天體磁場;磁偏角

已有的科學(xué)研究證明，地球磁場對(duì)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(gè)良好的生存環(huán)境?，F(xiàn)在，科學(xué)研究還發(fā)現(xiàn)，借助地磁場來指示方向并不是我們?nèi)祟惇?dú)有的本領(lǐng)，其它許多動(dòng)物也能利用地球的磁場作為導(dǎo)向。因此，對(duì)地球磁場起源的研究具有較大的意義和應(yīng)用價(jià)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(zhì)具有磁性的事實(shí)，對(duì)地球磁場起源提出設(shè)想后，人們對(duì)地磁場的探索力度越來越大，對(duì)其起源的研究也不斷地深入，已提出的假說主要有旋轉(zhuǎn)電荷、壓電效應(yīng)、發(fā)電機(jī)理論、溫差電效應(yīng)、電流說等，雖然這些假說背后都有科學(xué)證據(jù)支持，但對(duì)地球磁場產(chǎn)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(rèn)真審視了以往人們對(duì)地磁成因的研究思路，研究方法等之后，另辟蹊徑，對(duì)地球磁場的產(chǎn)生機(jī)理和變化原因進(jìn)行了全新探究。筆者發(fā)現(xiàn)，人們對(duì)地球磁場起源研究一直處于迷茫狀態(tài)的原因是：人們對(duì)處于高溫高壓條件下的地球內(nèi)部物質(zhì)的物理狀態(tài)和物理性質(zhì)缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，存在偏差和錯(cuò)解。所以，對(duì)地磁場和其他天體磁場的產(chǎn)生機(jī)理和變化原因，本文主要從這方面進(jìn)行分析，希望以此來深化和改變?nèi)藗儗?duì)星球內(nèi)部和磁現(xiàn)象的認(rèn)知。

一、地磁場的時(shí)空特征

（一）地磁場及磁偏角

地球本身是一個(gè)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(gè)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(huì)重合，而是有著一個(gè)較小的夾角，這個(gè)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(shí)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(gè)磁場強(qiáng)度在北美、西伯利亞和南極大陸附近達(dá)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(qiáng)度及變化

根據(jù)地磁測量數(shù)據(jù)，地球表面上的磁場強(qiáng)度，由兩極向赤道呈線性減弱，地理兩極位置上的磁場強(qiáng)度在0.65高斯左右，而赤道地區(qū)的磁場強(qiáng)度在0.30高斯左右。雖然地球的磁場強(qiáng)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(qiáng)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(dǎo)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(gè)大條形磁鐵的磁場，這說明地球磁場起源于地球內(nèi)部。但地球內(nèi)部的溫度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過磁性物質(zhì)的居里點(diǎn)的，地球內(nèi)部怎么會(huì)產(chǎn)生磁場呢？近百年來，這一科學(xué)問題一直困惑著研究人員的智慧，但研究人員對(duì)這一問題的有關(guān)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(dǎo)電流上，因?yàn)閭鲗?dǎo)電流能產(chǎn)生磁場。但在近些年，隨著地磁學(xué)和其他學(xué)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(nèi)部根本就不存在人們想象中的傳導(dǎo)電流。因而，關(guān)于地球磁場的成因，我們還得認(rèn)真思考尋找新的研究思路和方法。

（二）對(duì)地磁成因的新解

關(guān)于磁現(xiàn)象的電本質(zhì)對(duì)地球磁場起源的研究，人們有著較為一致的觀點(diǎn)，任何磁現(xiàn)象都來源于電荷的定向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)這一論斷，人們會(huì)提出一系列的問題。地球內(nèi)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(yùn)動(dòng)的？驅(qū)使這些電荷運(yùn)動(dòng)的能量又來自哪里[2]？針對(duì)這些疑問，現(xiàn)在，我們有必要關(guān)注一下這樣一個(gè)問題：地球內(nèi)部物質(zhì)在高溫高壓環(huán)境下，物質(zhì)的物理狀態(tài)和物理性質(zhì)又是怎樣的呢？

筆者基于地球內(nèi)部物質(zhì)受到高溫高壓影響的事實(shí)，對(duì)地磁成因大膽進(jìn)行推測，嘗試用磁學(xué)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(guān)理論，我們得出地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和層次的相關(guān)結(jié)論。地球由地核、地幔和地殼三層構(gòu)成。地球內(nèi)部的溫度和壓力與地球內(nèi)部深度成正比，隨深度加大而逐漸增高，其內(nèi)核溫度在四千多度左右，壓力約為360萬個(gè)大氣壓。眾所周知，物質(zhì)處于不同的環(huán)境中，具有不同的物理狀態(tài)，也就相應(yīng)具有不同的物理性質(zhì)。地球內(nèi)部物質(zhì)是高溫、高壓中物質(zhì)，筆者認(rèn)為，這些物質(zhì)的物理狀態(tài)和物理性質(zhì)應(yīng)該具有如下特征：高溫使地核里物質(zhì)的原子被電離，而高壓形成的高密度物質(zhì)迫使地核里被電離出具有足夠動(dòng)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(yùn)動(dòng)，從而形成環(huán)形電流，也就是磁分子。這種磁分子因壓強(qiáng)而形成，其磁化居里點(diǎn)高于其溫度，就會(huì)使地球熱核具有鐵磁性性質(zhì)。因此筆者進(jìn)一步推斷，由于在地球熱核里時(shí)刻存在著熱傳遞，電子繞正離子運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)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(yùn)動(dòng)所受到的周圍輻射壓力差成正比），而使電子繞正離子運(yùn)動(dòng)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(jī)理。

我們知道，物質(zhì)具有磁性的本質(zhì)是：構(gòu)成物質(zhì)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(jié)構(gòu)，使分子磁矩的排列，具有了一定的規(guī)律，產(chǎn)生了宏觀的磁場。[3]那么，地球磁場的產(chǎn)生機(jī)理是自組織現(xiàn)象還是他組織結(jié)構(gòu)？它是怎樣產(chǎn)生的？筆者研究后認(rèn)為，地球磁場的產(chǎn)生跟地球自身因素有關(guān)，也受外界因素的影響。已有的科學(xué)研究證實(shí)，地球的快速自轉(zhuǎn)，使得它的形狀發(fā)生了改變，變成了一個(gè)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(zhuǎn)和太陽對(duì)地球的光照不均都會(huì)影響到地球內(nèi)部熱量散發(fā)的路線。關(guān)于地球內(nèi)部熱量散發(fā)路線圖與地球磁場的起源的關(guān)系，下面簡略加以論證：

（1）根據(jù)上文的推測，地球內(nèi)部高溫?zé)岷藷崃康纳l(fā)，熱核里的電子繞正離子運(yùn)動(dòng)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(nèi)部熱核里的電子繞正離子運(yùn)動(dòng)變得有規(guī)則的排列。

（2）電子繞正離子運(yùn)動(dòng)規(guī)則排列軸的連線是一幅地球內(nèi)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(jīng)過熱的擾動(dòng)、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(duì)地球磁場起源的研究，筆者的心得主要有兩點(diǎn)：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(nèi)部的環(huán)境和物質(zhì)的物理狀態(tài)和性質(zhì)。弄清楚地球自身的這些特征，地球磁場的產(chǎn)生機(jī)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(gè)地域，平均強(qiáng)度約占地磁場的10%。[4]但是有關(guān)非偶極子磁場的成因，目前學(xué)術(shù)界爭議不斷。筆者認(rèn)為非偶極子磁場的產(chǎn)生原因也可以根據(jù)上文地磁場形成的原理進(jìn)行推理驗(yàn)證。地球內(nèi)部高溫?zé)岷藷崃康纳l(fā)，熱核里的電子繞正離子運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)變得有規(guī)則的排列。電子繞正離子運(yùn)動(dòng)規(guī)則排列軸的連線是一幅地球內(nèi)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(xué)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(gè)便捷的通道，使人們?cè)诘厍虮砻鏈y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(fù)相反的普遍磁場，又有東西對(duì)峙極性相反的整體磁場。

四、其他天體上的磁場

筆者認(rèn)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(chǎn)生機(jī)理。按這一原理就不難解釋離太陽較遠(yuǎn)，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?yàn)樗鼈z都有足夠大的體積和質(zhì)量，給內(nèi)部提供了足夠的溫度和壓力，加上它倆的自轉(zhuǎn)較快，形狀都呈明顯的扁球體，所以會(huì)產(chǎn)生磁場。那么，金星的質(zhì)量和體積，還有物理?xiàng)l件幾乎與地球沒有差別，內(nèi)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(zhuǎn)太慢（周期為243個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(gòu)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(duì)金星起到了保溫的作用，再加上金星上層的大氣流動(dòng)的很快，風(fēng)速為400公里/小時(shí)，這樣快的風(fēng)速只要四個(gè)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(nèi)部的熱量散發(fā)路線是從中心點(diǎn)往四面八方散發(fā)出去的，它的內(nèi)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?yàn)樗鼈凅w積小，質(zhì)量少，內(nèi)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(gè)條件。第一，要有足夠大的體積和質(zhì)量，也就是內(nèi)部要有足夠的溫度和壓力;第二，自轉(zhuǎn)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(huì)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(zhuǎn)是天體磁場成因的一個(gè)重要因素，但自轉(zhuǎn)的快慢與天體磁場值的大小沒有實(shí)質(zhì)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(zhì)量有關(guān)。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(jì)），與天體的質(zhì)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(jié)論。根據(jù)這一結(jié)論，可以解釋天體的磁場強(qiáng)度。例如，太陽、木星、土星的磁場要比我們居住的地球磁場強(qiáng)的多，這是由于太陽、木星、土星的質(zhì)量比地球質(zhì)量大的多，而脈沖星磁場非常強(qiáng)大的原因是脈沖星質(zhì)量大，體積小的原因。

五、地磁成因新解說的科學(xué)性

以往人們對(duì)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(shí)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(shí)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(jīng)過科學(xué)測定，地球磁場是在變化著的，磁極的位置與各處的磁場強(qiáng)度，都在隨時(shí)間不停地在緩慢變化。筆者認(rèn)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(nèi)部高溫?zé)岷藷崃康纳l(fā)，熱核里的電子繞正離子運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)變得有規(guī)則的排列。電子繞正離子運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，磁通量發(fā)生變化時(shí)，也就是電子繞正離子運(yùn)動(dòng)傳遞能量時(shí)，被下一個(gè)繞正離子運(yùn)動(dòng)且能量較低的電子所吸收，所以地球內(nèi)部不論南北磁極，磁場的磁力線，都可以看成是地球內(nèi)部熱量散發(fā)的主路線。經(jīng)過一段時(shí)間的散發(fā)，地磁兩極熱核所對(duì)的地幔與地殼溫度就會(huì)逐漸地高起來，由于熱核里的電子繞正離子運(yùn)動(dòng)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(dòng)。也就是說，地球表面的磁極位置不斷地移動(dòng)變化，是為了地球內(nèi)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(nèi)部一種熱傳遞而導(dǎo)致的現(xiàn)象，地球內(nèi)部磁場的磁力線不論南北磁極，都可以看成是地球內(nèi)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(qiáng)度又為何會(huì)隨時(shí)間不停地變化，正是由于太陽具有與地球相同的內(nèi)源磁場，因此兩者具有相同的一種熱傳遞，內(nèi)部磁場的磁力線，不論南北磁極都可以看成是太陽內(nèi)部熱量散發(fā)的主路線。所以當(dāng)溫度較低的太陽黑子剛生成時(shí)，黑子區(qū)域的磁場就會(huì)迅速聚集增強(qiáng);隨著黑子的溫度升高瓦解時(shí)，磁場也就會(huì)逐步消失移到另外溫度較低的地方去。事實(shí)上，太陽磁極位置不斷地移動(dòng)變化，11年倒轉(zhuǎn)一次都是基于太陽內(nèi)部能更好地散發(fā)熱量。而太陽黑子、耀斑等活動(dòng)是太陽內(nèi)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(huì)有多個(gè)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(nèi)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(dòng)和變化。

（二）天體磁偏角的產(chǎn)生

地球的磁場兩極與地理兩極的位置比較接近，但不會(huì)重合，而是有著一個(gè)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(guān)于天體磁偏角的成因，目前學(xué)術(shù)界還沒有一個(gè)準(zhǔn)確合理的解釋。而根據(jù)天文學(xué)的觀測數(shù)據(jù)，人們發(fā)現(xiàn)，圍繞太陽運(yùn)行的各行星磁偏角的大小跟行星自轉(zhuǎn)軸傾斜的角度大小基本上成正比關(guān)系。也就是自轉(zhuǎn)傾角越大的行星，其磁偏角的度數(shù)就越大。[7]為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象呢？筆者認(rèn)為這一自然現(xiàn)象并非巧合，主要是因?yàn)橛行┨祗w磁場的產(chǎn)生跟自身因素有關(guān)，也受到外界因素的影響。這個(gè)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是各行星的自轉(zhuǎn)傾角的不同，使其受到太陽光照的地理位置不同而導(dǎo)致的。根據(jù)上文筆者提出的地磁場形成機(jī)制和變化原因可知，天體的磁偏角大小跟天體的扁率有關(guān)（大氣層不計(jì)），天體的扁率越大，它的磁偏角也就越小。也有些天體會(huì)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(huì)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(zhuǎn)一周需要27個(gè)地球日，因而扁率較小，所以它的磁偏角相當(dāng)大，大到了可以發(fā)生磁極翻轉(zhuǎn)。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(yuǎn)，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(gè)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(huì)出現(xiàn)周期性倒轉(zhuǎn)。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(diǎn)一定的范圍內(nèi)移動(dòng)，但絕不會(huì)倒轉(zhuǎn)。

六、結(jié)語

因?yàn)榈厍騼?nèi)部的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過磁性物質(zhì)的居里點(diǎn)，所以許多人對(duì)地球磁場成因的研究，往往忽略了物質(zhì)具有磁性的本質(zhì)，這就導(dǎo)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(duì)地磁場各種現(xiàn)象做出科學(xué)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(zhì)，基于磁學(xué)的研究方法，重新研究了地球磁場的產(chǎn)生機(jī)理和變化原因，推理出地球磁場是因?yàn)榈厍騼?nèi)部物質(zhì)受到高溫高壓和地球的快速自轉(zhuǎn)以及地球受到太陽光照的共同作用而產(chǎn)生的。這種磁場與人們觀測到的地磁場的各種事實(shí)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(yù)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(shí)與合理的假說。但本文存在的問題是有些地方的觀點(diǎn)與現(xiàn)在的主流觀點(diǎn)有相悖之處，希望大家多提意見并指正，使本文的觀點(diǎn)更加合理，更加接近事實(shí)。

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