地球磁場(chǎng)成因新解

1、 地球磁場(chǎng)成因新解 臨沂大學(xué)沂水分校陳維會(huì) 地球磁場(chǎng)的起源現(xiàn)在仍然是個(gè)謎，地球磁場(chǎng)形成的機(jī)理有諸多解釋，但都不能很好的解釋地球磁場(chǎng)的一些現(xiàn)象。本人經(jīng)多年的數(shù)據(jù)檢測(cè)采集，研究考察及論證，提出新的地磁成因理論，它不僅有可檢測(cè)的大量的第三方數(shù)據(jù)佐證，還能解釋地球磁場(chǎng)的所有現(xiàn)象，是目前最接近事實(shí)的地磁成因理論。內(nèi)容摘要：由于太陽(yáng)的溫度很高那里的物質(zhì)被電離，電離的太陽(yáng)物質(zhì)在運(yùn)動(dòng)時(shí)受太陽(yáng)磁場(chǎng)的作用，正電荷會(huì)上浮到太陽(yáng)的最外層并被拋向太空，太陽(yáng)會(huì)失去過(guò)多的正電荷而帶負(fù)電，地球俘獲了太陽(yáng)拋出來(lái)的正電荷而帶正電。地球表面上的電荷分布是不均勻的，在太陽(yáng)電場(chǎng)的作用下，地球表面的電荷繞地球運(yùn)動(dòng)形成了電流，地球磁場(chǎng)主要

2、是由這電流產(chǎn)生的。利用這一假設(shè)可以很好的解釋地球磁場(chǎng)許多現(xiàn)象，包括以往的假設(shè)無(wú)法解釋的現(xiàn)象，并且有大量的測(cè)量數(shù)據(jù)佐證。一、地球磁場(chǎng)的特性宇宙中的天體大多數(shù)都有一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)。據(jù)科學(xué)家探測(cè)研究得知：我們居住的地球磁場(chǎng)強(qiáng)度約為（0.30.6）×104T；地球表面赤道上的磁場(chǎng)強(qiáng)度約為0.290.40高斯；地磁北極的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.61高斯；地磁南極的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.68高斯；南半球強(qiáng)北半球弱；南北磁極與地理的南北極不重合；地軸與地磁軸成11.50的交角；并且南北磁極的地理位置不斷在變化，如下表所示。磁北極(2001) 81.3°N,110.8°W(2004 估計(jì)) 82.3

3、°N,113.4°W(2005 估計(jì)） 82.7°N,114.4°W地理南極附近磁南極(1998) 64.6°S,138.5°E(2004 估計(jì)） 63.5°S,138.0°E地理北極附近地球磁場(chǎng)受太陽(yáng)活動(dòng)的影響較大，地磁場(chǎng)隨時(shí)間作周期性變化，其中以一晝夜為周期的變化稱為地磁場(chǎng)周日變化，簡(jiǎn)稱日變（diurnal variation）。日變的幅度因時(shí)間、季節(jié)和緯度而異，不同緯度地區(qū)日變規(guī)律不同。地磁場(chǎng)的日變化在南北緯300附近最強(qiáng)。地磁場(chǎng)的日變化一般是白天比夜間強(qiáng)，早晚平穩(wěn)，中午明顯，幅度一般在十幾到幾十納特之間。下

4、圖是山東郯城地震臺(tái)測(cè)繪的地磁和地電場(chǎng)的日變化曲線圖圖一地球表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨季節(jié)的變化是夏季增強(qiáng)冬季減弱；還隨氣候和空間環(huán)境在變化，干旱季節(jié)有所減弱，太陽(yáng)的活動(dòng)對(duì)地磁影響巨大；地球表面各處磁場(chǎng)強(qiáng)度相差很大，有些地域在不同的時(shí)期磁場(chǎng)強(qiáng)度變化很大。就地球的整個(gè)磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)是不穩(wěn)定的，在歷史上地球的基底磁場(chǎng)強(qiáng)度變化很大，有時(shí)強(qiáng)有時(shí)弱，甚至消失或者顛倒。據(jù)可靠的地質(zhì)資料顯示，地球磁場(chǎng)的南北極可能出現(xiàn)過(guò)數(shù)次顛倒。 一、 地球磁場(chǎng)起源的探索對(duì)地球磁場(chǎng)起源的探索，早在公元1600年前后就已經(jīng)開(kāi)始了，自英國(guó)的吉伯（W.Gilbert）提出“地球是一個(gè)巨大的磁石”開(kāi)始，有關(guān)地磁場(chǎng)起源的推測(cè)已有近400年的歷史，先后提

5、出了10多種學(xué)說(shuō)，但至今仍未獲得圓滿解決。 其主要假說(shuō)有永磁體說(shuō)、電荷旋轉(zhuǎn)學(xué)說(shuō)、電流說(shuō)、壓電效應(yīng)說(shuō)、發(fā)電機(jī)理論等。這些假說(shuō)有的被現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)和研究所否定，有的不能圓滿解釋地球磁場(chǎng)的一些現(xiàn)象。永磁假說(shuō)認(rèn)為：地球的內(nèi)核是由鎳鐵組成的，它像一個(gè)巨大的磁棒，地球的磁場(chǎng)就是這永磁體產(chǎn)生的。這一假說(shuō)很快被居里發(fā)現(xiàn)的居里點(diǎn)所否定。永磁體只所以具有磁性是因?yàn)榇判晕镔|(zhì)內(nèi)微小區(qū)域的分子電流趨向一致形成磁疇，若大量的磁疇方向相同，對(duì)外就顯示出磁性。當(dāng)溫度升高時(shí)由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，磁疇被破壞，磁性也就消失了。永磁體消失磁性的溫度叫居里點(diǎn)，鐵的居里點(diǎn)是770，地核的溫度高達(dá)2700，地核中的鐵鎳早就失去了磁性，所以永磁說(shuō)被否

6、定。電荷旋轉(zhuǎn)學(xué)說(shuō)認(rèn)為；地球表面和內(nèi)部分別分布著符號(hào)相反、數(shù)量相等的電荷，由地球自轉(zhuǎn)而形成閉合電流，由此電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，但這學(xué)說(shuō)缺乏理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。現(xiàn)在大多數(shù)學(xué)者傾向于發(fā)電機(jī)理論。 1919年拉莫爾（J.Larmor）首先提出了旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)電流體維持自激發(fā)電機(jī)的可能性，這是關(guān)于地磁場(chǎng)起源的自激發(fā)電機(jī)說(shuō)的最早概念。發(fā)電機(jī)理論有兩種模型，一種假設(shè)認(rèn)為：地核中的物質(zhì)在高溫下處于熔融和電離狀態(tài)，由于內(nèi)核的溫度高于外核的溫度會(huì)發(fā)生對(duì)流，又因這里的物質(zhì)處于電離狀態(tài)，這種導(dǎo)電的流體在原來(lái)微弱的地磁場(chǎng)作用下形成了一臺(tái)自激發(fā)電機(jī)，于是形成了電流，是這電流形成了地球的磁場(chǎng)。近代探測(cè)表明：外核上層的溫度約2600k，內(nèi)核上

7、層的溫度約3000k,外核的厚度約2300km，外核的溫度梯度為0.174km，在極高壓強(qiáng)的地核中，液態(tài)的金屬粘稠度會(huì)變高，粘稠的金屬熔液在這樣小的溫度梯度中是難以形成對(duì)流的；又因地核不可能是由單純的鐵鎳組成，必定會(huì)有比鐵重或輕的物質(zhì)，重物質(zhì)下沉，輕物質(zhì)上浮,上輕下重怎么會(huì)發(fā)生對(duì)流！雖然靠近內(nèi)核的區(qū)域溫度高，但在那高溫高壓條件下熔融的金屬液體，是否有地面上那樣的熱脹冷縮規(guī)律，目前還不得而知。再者地核是金屬組成的，其熱傳導(dǎo)能力很強(qiáng)，光靠熱傳導(dǎo)就能把內(nèi)部的熱量傳到上方，無(wú)需對(duì)流傳導(dǎo)。即使形成對(duì)流其流速也會(huì)非常緩慢，由此產(chǎn)生的霍耳電勢(shì)差也及其微小，而地球內(nèi)核不可能是超導(dǎo)體，有一定的電阻，電流也就非常

8、微弱，因而形成的磁場(chǎng)也非常微弱；即便是發(fā)生對(duì)流，液態(tài)金屬的流動(dòng)是兩個(gè)方向相反的渦流，產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)互相抵消，對(duì)外不顯磁性；另外這種假設(shè)也不能解釋地球磁場(chǎng)隨晝夜，季節(jié)，氣候及太陽(yáng)活動(dòng)的變化現(xiàn)象。更重要的是：這種假設(shè)的能量來(lái)源無(wú)法解釋，只是一種推測(cè)，所以這種假設(shè)受到質(zhì)疑。另一種發(fā)電機(jī)理論的模型是：地核的外核是熔化的金屬液體，內(nèi)核是由鐵鎳組成的金屬固體，內(nèi)核的轉(zhuǎn)動(dòng)與外核的轉(zhuǎn)動(dòng)不同步,在原來(lái)磁場(chǎng)的作用下，具有很強(qiáng)導(dǎo)電能力的內(nèi)核也成為一臺(tái)自激發(fā)電機(jī),由此而產(chǎn)生的電流的流動(dòng)便形成了地球的磁場(chǎng)。如果真的存在不同步現(xiàn)象，有科學(xué)家估計(jì)內(nèi)外核每年約只有0.30.5度的差異，那么最大相對(duì)線速度不足3.32×

9、104MS，內(nèi)核中的電荷依這樣的速度在0.5×104T磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的霍耳電勢(shì)差約幾十毫伏，內(nèi)核的電阻率在1015數(shù)量級(jí)時(shí)形成的電流才能產(chǎn)生地球南北兩級(jí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度?？设F鎳在常溫常壓下的電阻率是108數(shù)量級(jí)，（高溫時(shí)的電阻率還會(huì)增加）相差如此之大，能產(chǎn)生足夠的電流形成地磁場(chǎng)嗎？但現(xiàn)在地球內(nèi)核的轉(zhuǎn)動(dòng)與地球的轉(zhuǎn)動(dòng)是否不同步還沒(méi)有可靠的科學(xué)依據(jù)。現(xiàn)在雖然有科學(xué)家依此理論建立了計(jì)算機(jī)三維立體物理模型模擬地球內(nèi)部的實(shí)際情況。由模擬顯示的地磁場(chǎng)強(qiáng)度接近于實(shí)際情況，這只是模擬了地磁強(qiáng)度的大小，但由于地球內(nèi)核的質(zhì)量巨大它的轉(zhuǎn)動(dòng)是非常穩(wěn)定的，所以這種理論無(wú)法解釋地球磁場(chǎng)的其他變化情況。有假設(shè)認(rèn)為：地球

10、的外核帶有大量電荷，這些電荷隨地球外核一起轉(zhuǎn)動(dòng)便形成了電流，于是產(chǎn)生了地磁場(chǎng)。地球外核中的電荷雖然隨地球一起轉(zhuǎn)動(dòng)，可相對(duì)我們地面上的人來(lái)說(shuō)是不動(dòng)的，那么我們?cè)诘孛婢筒粫?huì)探測(cè)到地磁，但我們探測(cè)到了。 又因?yàn)闊o(wú)論是地球的外核或內(nèi)核都具有相當(dāng)大的質(zhì)量，它們的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度是不易改變的，由此而產(chǎn)生的電流也是恒定的，這種假設(shè)形成的磁場(chǎng)兩極應(yīng)當(dāng)與地理兩極重合，事實(shí)不重合。說(shuō)明這種假設(shè)不成立。地球的磁場(chǎng)會(huì)隨晝夜、季節(jié)、天氣、太陽(yáng)活動(dòng)等因素而變化。這種假設(shè)也很難解釋地球磁場(chǎng)的變化。幾百年來(lái)人們的目光一直盯在地球深處，靠一些未被證實(shí)的假設(shè)來(lái)證明另一個(gè)假設(shè)，靠模型的模擬來(lái)證明假設(shè)。無(wú)真憑實(shí)據(jù)的材料來(lái)證明這些假設(shè)，難免

11、讓人產(chǎn)生懷疑。那么，地球的磁場(chǎng)到底是如何產(chǎn)生的呢？二、 地球磁場(chǎng)的產(chǎn)生磁場(chǎng)的產(chǎn)生有三種機(jī)理，一種是永磁體，靠磁性物質(zhì)內(nèi)微小區(qū)域的分子電流產(chǎn)生較小的磁性體-磁疇，大量的磁疇有序排列，對(duì)外就顯示出磁場(chǎng)。第二種是運(yùn)動(dòng)的電荷產(chǎn)生磁場(chǎng)，這里包括電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。還有就是變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。地球磁場(chǎng)的產(chǎn)生也不外乎這三種形式。既然地球內(nèi)部沒(méi)有永磁體；當(dāng)然地球磁場(chǎng)不可能是交變電場(chǎng)產(chǎn)生的，因交變電場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)也是交變的，可地球的磁場(chǎng)相對(duì)來(lái)說(shuō)是穩(wěn)定的。那么地球磁場(chǎng)產(chǎn)生的原因只有一種，那就是運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的！那么這些電荷在哪里，怎么獲得的這些電荷又是怎樣運(yùn)動(dòng)的，驅(qū)使這些電荷運(yùn)動(dòng)的能量來(lái)自那里呢，這些運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的磁場(chǎng)是

12、否能解釋地磁的所有現(xiàn)象，或者有普遍規(guī)律，能解釋其他天體的磁現(xiàn)象？下面就用已知的事實(shí)回答和證明這些問(wèn)題。地球磁場(chǎng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，在地面和太空測(cè)得的數(shù)值不同性質(zhì)也不同，與周邊天體有著密不可分的聯(lián)系，特別是太陽(yáng)對(duì)地球的磁場(chǎng)影響巨大。目光只盯在地球上是無(wú)法給出地球磁場(chǎng)的來(lái)龍去脈的。由于地球的磁場(chǎng)會(huì)隨晝夜、季節(jié)、天氣、太陽(yáng)活動(dòng)等因素而變化，這說(shuō)明地球磁場(chǎng)不可能是由地球內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的，因?yàn)橛捎诘貧さ钠帘巫饔玫厍蛲獠康淖兓粫?huì)影響到地球內(nèi)部的電荷運(yùn)動(dòng)，所以地球的磁場(chǎng)主要是由地球表面的運(yùn)動(dòng)電荷，及近地空間運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的。1、地球表面電荷的來(lái)源從地球表面到地球中心的溫度逐漸增高，由塞貝克在1821年發(fā)現(xiàn)

13、的塞貝克效應(yīng)得知，地球內(nèi)部和地球表面會(huì)產(chǎn)生不同的電荷，地球表面可能由此帶有一定量的電荷。因此在公元1900年有人提出電荷旋轉(zhuǎn)學(xué)說(shuō)：認(rèn)為地球表面和內(nèi)部分別分布著符號(hào)相反、數(shù)量相等的電荷，地球的表面帶有負(fù)電荷，地球表面的負(fù)電荷會(huì)隨地球自西向東的自轉(zhuǎn)而形成電流，由此電流產(chǎn)生了地球的磁場(chǎng)。但是此種電荷隨地球一起同步運(yùn)動(dòng)，在地面上的觀察者根本探測(cè)不到電荷的運(yùn)動(dòng)，這種相對(duì)于地面是靜止的電荷不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，因而地面上的人們就不會(huì)檢測(cè)到地球的磁場(chǎng)。再就是這種假設(shè)形成的磁場(chǎng)兩極應(yīng)當(dāng)與地理兩極重合，事實(shí)不重合。所以這種假設(shè)沒(méi)有引起人們的注意。 實(shí)際上地球表面電荷來(lái)自太陽(yáng)如果我們把視線擴(kuò)大到宇宙中去，會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙中充滿

14、了電荷。我們知道太陽(yáng)是一個(gè)巨大而熾熱的氣體球，太陽(yáng)中的物質(zhì)在高溫下被電離，是電的良導(dǎo)體。（下圖是太陽(yáng)結(jié)構(gòu)示意圖）圖二太陽(yáng)內(nèi)部的物質(zhì)活動(dòng)劇烈，太陽(yáng)表面物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方向非?；靵y，不同區(qū)域的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)方向不同，同一區(qū)域物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方向在不同的時(shí)間也不會(huì)相同。但從太陽(yáng)整體來(lái)看，在某一時(shí)期太陽(yáng)表面物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方向趨于一致。由于太陽(yáng)有較強(qiáng)水平分量的磁場(chǎng)，平行于太陽(yáng)表面且垂直于太陽(yáng)水平磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的電離物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生霍耳效應(yīng)，其中的正電荷和負(fù)電荷會(huì)受到太陽(yáng)磁場(chǎng)的作用力，且力的方向是平行于太陽(yáng)半徑的，正負(fù)電荷受到的作用力方向相反，若某種電荷（如正電荷）受到的電磁力，方向是沿太陽(yáng)半徑向外的，那么正電荷會(huì)上浮，并到達(dá)太陽(yáng)的色球?qū)?/p>

15、和日冕層，使這里正電荷的數(shù)量大于負(fù)電荷的數(shù)量。太陽(yáng)每時(shí)每刻都會(huì)向太空拋射大量的物質(zhì)，太陽(yáng)外層的正電荷也會(huì)大量的被拋出，（太陽(yáng)風(fēng)便是從太陽(yáng)拋出的帶正電的氫原子核和帶負(fù)電的電子，）從太陽(yáng)拋向太空的正電荷數(shù)量會(huì)大于負(fù)電荷的數(shù)量，久而久之太陽(yáng)就會(huì)失去正負(fù)電荷的平衡而帶負(fù)電。（下圖是美國(guó)航天局公布的太陽(yáng)磁場(chǎng)圖片）圖三（下圖是美國(guó)航天局公布的太陽(yáng)拋射電荷流的圖片）圖四在太陽(yáng)身邊的地球會(huì)俘獲大量的正電荷，由于地球磁場(chǎng)的作用，由太陽(yáng)飛來(lái)的帶電粒子不能直接長(zhǎng)驅(qū)直入的到達(dá)地面，被地球磁場(chǎng)攔截，形成范艾倫帶，沿地磁線螺旋運(yùn)動(dòng)到地球的兩極進(jìn)入地球，極光就是太空電荷進(jìn)入地球的證據(jù)。（下圖是極光圖片）圖五雖然落入地球的電

16、荷有正有負(fù)，但正負(fù)電荷數(shù)不會(huì)絕對(duì)的相等。若在某個(gè)時(shí)期正電荷的數(shù)量會(huì)大于負(fù)電荷的數(shù)量，久而久之會(huì)有大量的正電荷落入地球，使地球帶正電。由于太陽(yáng)和地球帶有大量的電荷，彼此之間會(huì)有電的相互作用力，有一個(gè)由地球指向太陽(yáng)的電場(chǎng)。2、地球中電荷的分布太陽(yáng)中心與地球中心的連線與地面的交點(diǎn)叫光垂點(diǎn)。由于地球的自傳，光垂點(diǎn)在地面上掠過(guò)一個(gè)圍繞地球的圓，叫垂點(diǎn)圓。垂點(diǎn)圓平行于赤道，隨季節(jié)的變化，垂點(diǎn)圓在南北回歸線之間擺動(dòng)。（見(jiàn)下圖）圖六當(dāng)?shù)厍虿皇苋魏瓮獠侩妶?chǎng)力的作用時(shí)，地球表面的電荷分布基本是均勻的，地球表面各處的電荷密度是相等的。由于地球表面布滿了水并含有大量的電解質(zhì)，所以地球表面是電的良導(dǎo)體。落入地球南北極的

17、電荷，正負(fù)電荷發(fā)生中和，剩余的正電荷在太陽(yáng)電場(chǎng)的作用下會(huì)向低緯度地區(qū)運(yùn)動(dòng)，隨著維度的增大，電荷密度逐漸減少，在南北兩極處，電荷被拉到低緯度區(qū)域，因而這些地方的電荷密度較低，低于地球表面電荷的平均值。低緯度地區(qū)電荷密度大，遠(yuǎn)大于地球表面電荷的平均值；由于地球的阻擋，太陽(yáng)電場(chǎng)對(duì)地球背陰面電荷的作用力減弱，地球背陰面電荷的分布較向陽(yáng)面分散，所以地球表面的電荷分布是不均勻的。在低緯度地區(qū)形成一條圍繞地球的電荷帶。靠近垂點(diǎn)圓的電荷密度最高，垂點(diǎn)圓兩邊的電荷密度逐漸降低，地球表面的電荷大部分集中在垂點(diǎn)圓兩邊±300的范圍內(nèi)。（如下圖7所示。）圖7地球表面以下是由花崗巖組成的地殼，花崗巖是電的良好

18、絕緣體。所以從太空中落入地球的電荷主要分布在地球的表面。地殼以下的地幔和地核的溫度高達(dá)2500k以上，那里的物質(zhì)處于電離狀態(tài)，又是電的良導(dǎo)體。因地球表面帶有正電荷，處在地球表面電荷電場(chǎng)中的地核又是一個(gè)等勢(shì)體，所以地核必定有電荷分層，在靠近地殼的地幔層中，集中了大量的負(fù)電荷，地球的中心處聚集了正電荷。這像一個(gè)巨大的電容器，地球表面和地幔是電容器的兩個(gè)極板，中間的地殼是這電容器的電介質(zhì)。3、地球表面電荷的運(yùn)動(dòng)地球處在一個(gè)由太陽(yáng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)、空間電離層電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)、地球內(nèi)部電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)等復(fù)雜的電場(chǎng)中。地球表面的電荷分布不再均勻，若只考慮太陽(yáng)電場(chǎng)的作用，那么在地球表面的向陽(yáng)面的正離子，由于受到太

19、陽(yáng)負(fù)電場(chǎng)的吸力作用，在光垂點(diǎn)處形成一個(gè)由正電荷組成的電荷斑塊，由于地球的自傳，正電荷斑塊會(huì)跟隨光垂點(diǎn)自東向西運(yùn)動(dòng)，。由于地球表面的導(dǎo)電層主要有水、濕潤(rùn)的土壤，礦物導(dǎo)體等，導(dǎo)電形式主要是各種正負(fù)離子，靠近光垂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)的快，遠(yuǎn)離光垂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)的慢。無(wú)論海洋中的離子還是陸地土壤中的離子，由于離子的重量和體積比電子大 ，在運(yùn)動(dòng)中受到的阻力比電子大，運(yùn)動(dòng)的距離都很小。所以離子的運(yùn)動(dòng)速度很慢跟不上光垂點(diǎn)的運(yùn)行速度?；径际窃谠囟叹嚯x的定向移動(dòng)。但大量帶點(diǎn)離子跟隨光垂點(diǎn)的定向運(yùn)動(dòng)就形成了可觀的電流。由于地球自身由西向東的自轉(zhuǎn)，地面正電荷在太陽(yáng)電場(chǎng)的作用下會(huì)跟隨光垂點(diǎn)由東向西運(yùn)動(dòng)，電流方向也是自東向西流動(dòng)的。

20、 電流是連續(xù)的，在地球的背陽(yáng)面由于受到向陽(yáng)面正電荷的推擠作用 背陽(yáng)面的正電荷也會(huì)由東向西運(yùn)動(dòng)。向陽(yáng)面由于太陽(yáng)電場(chǎng)和地球自轉(zhuǎn)的作用會(huì)在向陽(yáng)面產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)，相當(dāng)于一節(jié)電池，背陽(yáng)面相當(dāng)于一段導(dǎo)線，連接電池的兩極，于是便形成了從東向西環(huán)繞地球的環(huán)形電流，地球磁場(chǎng)的一部分是由這種環(huán)形電流產(chǎn)生的。從電荷的分布和運(yùn)動(dòng)速度來(lái)看。向陽(yáng)面的電荷集中，運(yùn)動(dòng)快。背陽(yáng)面電荷分散，運(yùn)動(dòng)較慢。（下圖是太陽(yáng)的電場(chǎng)力和地球自轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)地面電荷繞地球運(yùn)動(dòng)的示意圖）圖84、地球外圍的電荷分布除了地球內(nèi)部及表面帶有電荷外，在地球表面以外的空間也有大量的電荷。在離地面80km的空間內(nèi)，由于大氣稠密帶電粒子少，帶電粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生碰撞的幾率高

21、，帶電粒子的定向運(yùn)動(dòng)速度慢，所以這一層大氣是電的絕緣體。在離地面100km左右的暖層空間，由于溫度升高，在太陽(yáng)及宇宙射線的作用下這里的空氣發(fā)生了電離。從太陽(yáng)飛來(lái)的帶電離子也有一部份會(huì)滯留在這里，這就是E電離層。地球向陽(yáng)面聚集的正電荷斑塊產(chǎn)生的電場(chǎng)，作用于E電離層。吸引E電離層的電子下沉形成D電離層，原E電離層由于缺少了電子而帶正電。這時(shí)會(huì)有一個(gè)由E電離層指向D電離層的電場(chǎng)ED，這電場(chǎng)與地球指向太陽(yáng)的電場(chǎng)E0方向相反，在數(shù)值上當(dāng)EDE0時(shí)D電離層不再下降。在下午的傍晚時(shí)分，地面正電荷隨光垂點(diǎn)離去，對(duì)E電離層負(fù)電荷的引力作用減小， D電離層的負(fù)電荷受E電離層正電荷的引力相對(duì)加強(qiáng)，d電離層的負(fù)電荷開(kāi)

22、始上升并與E電離層的電荷中和，D電離層逐漸減弱，E電離層也逐漸減弱。地球背陰面正電荷少于向陽(yáng)面，分布不再那么集中，對(duì)E電離層電子的引力作用很小，所以夜晚D電離層會(huì)消失。D電離層的電荷分布與地面電荷斑塊相似，除有晝夜變化外也隨季節(jié)南北移動(dòng)，這從側(cè)面證明地球表面是有電荷的，也證明電荷的分布及運(yùn)動(dòng)的論述是正確的。在暖層的100km-3000km是未被電離的絕緣層，從太陽(yáng)飛來(lái)的質(zhì)量較小的電子被阻擋在了這一層之上，形成了帶負(fù)電的F電離層。在離地面6000km12000km和18000km24000km的地方有兩條電荷帶，叫范艾倫輻射帶，內(nèi)層范艾倫輻射帶主要是高能質(zhì)子，外層艾范倫輻射帶主要是高能電子。這些

23、電荷沿地磁線做高速螺旋運(yùn)動(dòng)，并在地磁兩極間振蕩。若太陽(yáng)帶負(fù)電荷，那么在外層范艾倫輻射帶與太陽(yáng)之間還有一層或數(shù)層人們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的帶正負(fù)電的電荷帶。這種正負(fù)電荷帶交替出現(xiàn)的電荷帶我們不妨叫它震波帶。每條震波帶各個(gè)不同區(qū)域上的電荷密度和厚度都不一樣，震波帶在諸多電場(chǎng)的作用下形成了特除的形狀，向陽(yáng)面的電荷密度大厚度也大，背陽(yáng)面的電荷密度稍小且被束縛在地球的陰影里形成了一個(gè)拖尾。在向陽(yáng)和背陽(yáng)的分界處電荷密度和厚度最小。5、地球的磁場(chǎng)地球的磁場(chǎng)是由地球內(nèi)部電荷、地球表面電荷及地球以外電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，情況非常復(fù)雜。（1）、以地球?yàn)閰⒄障档牡厍虼艌?chǎng)在以地球?yàn)閰⒄障禃r(shí)，地核中心的電荷、地幔中的電荷、地球表面上的

24、電荷、E電離層的部分電荷、范艾倫輻射帶的電荷有些始終出現(xiàn)在向陽(yáng)面，有些始終出現(xiàn)在背陽(yáng)面，由于地球是自轉(zhuǎn)的，我們可看成地球不動(dòng)以上各層電荷在繞地球運(yùn)動(dòng)。其中地核中心的正電荷由于繞地軸運(yùn)轉(zhuǎn)的半徑較小，形成的磁場(chǎng)較弱可忽略。設(shè)地幔中負(fù)電荷繞地球運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)為Hm，方向?yàn)榈乩肀睒O為磁場(chǎng)的S極，地理南極為磁場(chǎng)的N極。因地幔中的溫度較高分子運(yùn)動(dòng)劇烈，負(fù)電荷在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生頻繁的碰撞，運(yùn)動(dòng)受阻，所以由此而產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度不高。地球表面的正電荷沿地球表面移動(dòng)形成電流，這電流形成的磁場(chǎng)設(shè)為Hb，地理的南極為該磁場(chǎng)的N極，地理的北極為該磁場(chǎng)的S極。地球的表面有大陸、海洋、高山、湖泊、沙漠。它們的導(dǎo)電性能差異很大。大

25、洋中的海水是電的良導(dǎo)體，而干旱的沙漠及巖石裸露的山區(qū)導(dǎo)電性能很差，所以地球表面電流的分布是不均勻的。在廣闊的太平洋地區(qū)電流主要沿太陽(yáng)直射區(qū)域的低緯度帶流動(dòng)。在東經(jīng)120o區(qū)域，赤道以北由于受到亞洲大陸的越南，馬來(lái)西亞陸地的阻擋，電流向南偏移，經(jīng)菲律賓、印度尼西亞等群島及南半球的海洋進(jìn)入印度洋;在東經(jīng)45o的印度洋西岸，電流受到非洲大陸的阻擋，一部分向南繞過(guò)非洲大陸和南美洲大陸，一部分經(jīng)地中海到達(dá)大西洋，這兩股電流強(qiáng)度基本差不多，少部分穿過(guò)非洲大陸和南美洲大陸，到達(dá)大西洋。在大西洋西岸電流主要通過(guò)加勒比海到達(dá)太平洋。地球表面上的電荷并不是一直沿緯線流動(dòng)的環(huán)形電流，電流主要沿電阻較小的海洋流動(dòng)，在

26、東經(jīng)45o到西經(jīng)90o之間電流顯著向南偏移，從而地球磁場(chǎng)的N極明顯向東經(jīng)120o180o的低緯度地區(qū)偏移;在北半球的東經(jīng)45o135o之間由于亞歐大陸的阻擋電流較小，而在西經(jīng)45o135o之間由于美洲大陸的阻擋使得加勒比海的電流明顯增大，因磁場(chǎng)的大小是由電流的大小決定的，因而地磁軸不會(huì)和地軸重合，地磁軸會(huì)向西經(jīng)45o135o區(qū)域傾斜，所以地磁的南極會(huì)偏離地理北極。這就像一個(gè)彎曲變形的線圈，通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)也是彎曲的，這就是地球磁場(chǎng)不和地理軸線重合的原因。流經(jīng)海洋的電荷還會(huì)受到洋流的影響，海水電解質(zhì)密度的影響，氣候的影響；氣候決定著大陸電導(dǎo)率的改變，因此也改變著電流分配格局。所以環(huán)繞地球的電流流

27、經(jīng)路線和強(qiáng)度會(huì)隨以上各種因素變化，因而南北磁極點(diǎn)會(huì)不斷變化，局部的磁場(chǎng)也會(huì)變化。在歷史中，大陸板塊的漂移會(huì)使環(huán)繞地球的電流路徑發(fā)生很大的變化，南北磁極點(diǎn)會(huì)有較大的位移。D電離層的負(fù)電荷繞地球運(yùn)動(dòng)形成的磁場(chǎng)設(shè)為Hd；E電離層的正電荷繞地球運(yùn)動(dòng)形成的磁場(chǎng)設(shè)為He；范艾倫輻射帶內(nèi)層的正電荷繞地球的運(yùn)動(dòng)形成的磁場(chǎng)設(shè)為Hn; 范艾倫輻射帶外層的負(fù)電荷繞地球的運(yùn)動(dòng)形成的磁場(chǎng)設(shè)為Hw。地球的磁場(chǎng)HHmHbHdHeHnHw，由于Hd和He方向相反，Hn和Hw方向相反，它們的和較小，可不計(jì)。又因地球表面的正電荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地幔中的負(fù)電荷，所以地球的磁場(chǎng)主要由地球表面正電荷繞地球的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。又因?yàn)榈睾酥饕怯设F磁

28、性物質(zhì)鐵和鎳組成的，它們具有較高的相對(duì)磁導(dǎo)率，所以地球內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度大于地球表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度，地球兩極的磁感應(yīng)強(qiáng)度大于赤道地區(qū)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在地球的表面真的有電流存在嗎？它與地磁有關(guān)聯(lián)嗎？1847年，巴洛(W.H.Barlow)從英國(guó)的電話線中最先發(fā)現(xiàn)了大地電流。1865年，在英國(guó)的格林威治天文臺(tái)上，建立了第一個(gè)地電觀測(cè)點(diǎn)，上世紀(jì)70年代我國(guó)建立了大量的地電和地磁監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這不僅證明了大地電流的存在，還積累了大量的資料。圖一是山東省郯城地震臺(tái)測(cè)得的地電場(chǎng)和地磁的合成曲線圖，從圖中看出地電場(chǎng)和地磁保持著一致的變化規(guī)律。下面我們用黑龍江綏化地震臺(tái)測(cè)得地電場(chǎng)5階諧波合成的，日變化曲線（圖10）圖9圖

29、10來(lái)分析地電場(chǎng)是如何形成此規(guī)律的。 把北京地區(qū)所處的東經(jīng)1200線作為北京時(shí)間中午12點(diǎn)的時(shí)間線（見(jiàn)圖9），北京時(shí)間午夜0點(diǎn)時(shí)分，正電荷斑塊跟隨光垂點(diǎn)在大西洋地區(qū)，北京地區(qū)處在背陰面，地電流比較分散，地電場(chǎng)強(qiáng)度處于平均水平，6點(diǎn)電荷斑塊到達(dá)太平洋，北京地區(qū)太陽(yáng)升起，電荷斑塊開(kāi)始影響我國(guó)東部，地電場(chǎng)增強(qiáng)。9點(diǎn)電荷斑塊覆蓋我國(guó)東部地區(qū)，這時(shí)光垂點(diǎn)還在太平洋中，由于海水的導(dǎo)電性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸地，所以電場(chǎng)達(dá)到最大值。此后電荷斑塊受到亞歐大陸的阻擋，陸地中離子數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于海洋，電場(chǎng)強(qiáng)度急劇減少。13點(diǎn)時(shí)電荷斑塊除受到歐亞大陸阻擋外，還受到越南、柬埔寨、馬來(lái)西亞、印度尼西亞等區(qū)域的阻攔，地電場(chǎng)數(shù)值降至最低

30、。其后進(jìn)入印度洋，電場(chǎng)強(qiáng)度開(kāi)始上升。16點(diǎn)后電荷斑塊又受非洲大陸的阻擋，電場(chǎng)強(qiáng)度再次減弱。18點(diǎn)后我國(guó)東部地區(qū)已日落，電荷斑塊的影響結(jié)束，電場(chǎng)強(qiáng)度又回到平均值。由于光垂點(diǎn)經(jīng)過(guò)大洋陸地引起的地電場(chǎng)變化是普遍的，世界各地的電場(chǎng)強(qiáng)度日變化強(qiáng)度曲線基本相同，只是時(shí)間上有差異，下圖是地電場(chǎng)變化曲線隨地理經(jīng)度由東向西的順延情況圖11由正電荷斑塊隨光垂點(diǎn)移動(dòng)引起的電流，并不是一直由東向西流動(dòng)的，電流會(huì)沿低電阻區(qū)域流動(dòng)。比喻在山東地區(qū)，電流受大陸的阻擋會(huì)折向南流動(dòng)；海洋中洋流也會(huì)帶動(dòng)電荷運(yùn)動(dòng)，使電流改變方向。吉什和魯尼的渦旋電流線分布圖也看出電流的分布，但決不是渦流。地電場(chǎng)起因比較復(fù)雜，其他因素引起的電場(chǎng)強(qiáng)度

31、，在局部或某地不同時(shí)間可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)由正電荷斑塊隨光垂點(diǎn)移動(dòng)引起的電場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)許多，但總體由正電荷斑塊隨光垂點(diǎn)移動(dòng)引起的電場(chǎng)占主導(dǎo)地位。（2）、地下電流為便于估算，設(shè)地球是一個(gè)正圓體，地理南北極與地磁南北極重合，磁極的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.6*10-4特斯拉，地球半徑為6738千米，地面電流集中在赤道上。因地球主要由鐵氧組成，地球的相對(duì)導(dǎo)磁率比較復(fù)雜，純鐵相對(duì)導(dǎo)磁率大于5000，鑄鐵大于300，取地球的相對(duì)導(dǎo)磁率為100 。由畢奧-薩伐爾-拉帕拉斯定律粗略估計(jì)，產(chǎn)生北磁極的磁場(chǎng)強(qiáng)度需1721×104安培電流。若此電流均勻的分布在南北極之間，滲入地表下500米，則電流密度為1.7安培/平方千米

32、。這比英國(guó)格林威治天文臺(tái)地電觀測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)的2安培/平方千米數(shù)據(jù)略小。這說(shuō)明地下確實(shí)有產(chǎn)生地球磁場(chǎng)的電流存在，并且探測(cè)到的電流足以產(chǎn)生地球磁場(chǎng)的強(qiáng)度。實(shí)際上海洋中的電流遠(yuǎn)大于陸地的電流，低緯度地區(qū)的電流遠(yuǎn)大于高緯度地區(qū)的電流。（3）、以太陽(yáng)為參照系的地球磁場(chǎng) 在以太陽(yáng)為參照系時(shí)，地核中的電荷、地幔中的電荷、地球表面的電荷、隨地球一起繞地軸運(yùn)轉(zhuǎn)，D電離層中的電荷F電離層的大部分電荷由于受到大氣的作用，也會(huì)隨地球大氣繞地軸運(yùn)轉(zhuǎn)，它們會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。E電離層中的電荷、范艾倫輻射帶的內(nèi)外層電荷大多是相對(duì)靜止的，它們不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。我們?cè)诘厍蛞酝獾挠钪婵臻g中探測(cè)到的地球磁場(chǎng)就是由這些電荷隨地球運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的。由于地

33、球高空的這些電荷距地心較遠(yuǎn)，對(duì)地心中高導(dǎo)磁率的鐵鎳影響不大，所以在外層空間的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向主要決定于探測(cè)點(diǎn)附近震波帶的性質(zhì)。在不同的外層空間探測(cè)到的地球磁場(chǎng)的極性可能與在地面探測(cè)的相反，磁場(chǎng)強(qiáng)弱可能有起伏變化，甚至突變。在距地球較遠(yuǎn)的地方震波帶中的電荷受地球的影響很小，這里的電荷不再隨地球一起運(yùn)轉(zhuǎn)，地球的磁場(chǎng)就消失在這層震波帶上，這里便是地球磁鞘。 三、地球磁場(chǎng)的變化以上簡(jiǎn)略說(shuō)明了地球磁場(chǎng)的產(chǎn)生，并以此解釋了地理南北極與地磁南北極不重合的現(xiàn)象，利用這種理論可以完美的解釋地球磁場(chǎng)的其他一些現(xiàn)象。1、地球磁場(chǎng)的日變化：前面已經(jīng)介紹了電場(chǎng)日變化的原因。2、地球磁場(chǎng)的季節(jié)變化：由于陽(yáng)光直射點(diǎn)即光垂點(diǎn)隨

34、季節(jié)南北移動(dòng)，地球表面電荷密度的最大點(diǎn)也會(huì)隨之南北移動(dòng)，又因?yàn)榧竟?jié)變化世界各地的氣候也在變化，這些都會(huì)影響地球表面的電流分布，所以地球磁場(chǎng)會(huì)隨季節(jié)在變化，但由于地理形狀不變，地球表面的電流不會(huì)發(fā)生很大的變化，又因地球內(nèi)核距地面較遠(yuǎn)，地球表面電流的變化，不會(huì)對(duì)地球表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度產(chǎn)生較大的影響，所以地球表面的磁場(chǎng)也就不會(huì)發(fā)生太大的變化。3、天氣變化對(duì)地球磁場(chǎng)的影響：由于局部氣候的變化，如洪澇、干旱、風(fēng)暴、洋流、潮汐等都會(huì)使地表面的導(dǎo)電情況發(fā)生變化，地表面的電流分布也會(huì)變化；帶電云層也會(huì)影響地面電荷的分布，帶電云層的移動(dòng)也會(huì)形成電流產(chǎn)生磁場(chǎng)。所以地球磁場(chǎng)也會(huì)隨天氣變化而變化。4、地球磁場(chǎng)南北極的漂

35、移：由于地球大陸板塊的漂移、洋流的改變、海水電解度的變化南北極冰蓋的進(jìn)退等也都會(huì)影響地球表面電流的分布，從而引起地磁南北極的漂移。 5、地震對(duì)地磁的影響：由于大陸板塊的漂移使地球的局部地殼應(yīng)力發(fā)生變化，其介質(zhì)常數(shù)也會(huì)因此而發(fā)生變化，在將要發(fā)生地震的區(qū)域，由地球表面、地殼和地幔組成的電容中，作為介質(zhì)的地殼的介質(zhì)常數(shù)發(fā)生了變化，其電容的容量也會(huì)發(fā)生改變，若容量增加，這一地區(qū)的電勢(shì)就會(huì)降低，周邊區(qū)域的電荷會(huì)向這一區(qū)域匯聚而形成電流;若容量減少，這一地域的電勢(shì)就會(huì)增加，這一區(qū)域的電荷會(huì)向周邊區(qū)域擴(kuò)散而形成電流，這些電流也會(huì)使地球磁場(chǎng)發(fā)生變化。這種由電荷的匯聚或擴(kuò)散而形成的電流在應(yīng)力形成時(shí)便產(chǎn)生了，在地

36、震將要發(fā)生時(shí)達(dá)到最大值，有時(shí)非常巨大，使地球的局部磁場(chǎng)發(fā)生強(qiáng)烈的波動(dòng)。地面的電場(chǎng)也會(huì)發(fā)生巨大變化，甚至?xí)?dǎo)致空氣輝光放電。地面電荷的變化必然會(huì)影響到空間電離層或者說(shuō)震波帶電荷的變化，這就是地震發(fā)生前科學(xué)家探測(cè)到電離層發(fā)生騷動(dòng)的原因。利用這一現(xiàn)象可以進(jìn)行地震預(yù)報(bào)。當(dāng)然過(guò)濾電勢(shì)，巖石的壓電效應(yīng)也可產(chǎn)生電荷或電勢(shì)，地震對(duì)地磁的影響可能是諸多因素共同作用的結(jié)果。6、太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球磁場(chǎng)的影響：在太陽(yáng)耀斑、太陽(yáng)黑子等太陽(yáng)活動(dòng)時(shí)太陽(yáng)表面的電荷分布會(huì)產(chǎn)生變化，從太陽(yáng)噴射出的帶電粒子流也會(huì)到達(dá)各震波帶，及地球附近，對(duì)地球的電離層，地球表面的電荷分布產(chǎn)生很大的影響，從而使地球磁場(chǎng)產(chǎn)生騷動(dòng)。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)中的帶電粒子到達(dá)

37、地球表面后，由于各粒子運(yùn)動(dòng)緩慢，正負(fù)離子不能很快的中和，其中的正離子會(huì)跟隨正垂點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，形成較大的電流，產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)，隨著正負(fù)離子的逐漸中和，正離子逐漸減少，電流也減弱，相應(yīng)的磁場(chǎng)也減弱。除太陽(yáng)風(fēng)暴中的帶電粒子對(duì)地球磁場(chǎng)的影響外，太陽(yáng)表面聚集的某種電荷的電場(chǎng)也會(huì)對(duì)地球磁場(chǎng)產(chǎn)生影響。太陽(yáng)有個(gè)11年的周期活動(dòng)，地球磁場(chǎng)也跟隨太陽(yáng)活動(dòng)周期變化。7、地球磁極的顛倒：太陽(yáng)的磁場(chǎng)大約11年會(huì)產(chǎn)生一次顛倒，此時(shí)若太陽(yáng)表面物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方向不變那么太陽(yáng)中正負(fù)電荷受到的磁力方向就會(huì)改變，若太陽(yáng)的磁場(chǎng)不發(fā)生顛倒但太陽(yáng)表面的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)方向不可能一成不變，在另一個(gè)時(shí)期，當(dāng)其運(yùn)動(dòng)方向與前一時(shí)期相反時(shí)，太陽(yáng)中正負(fù)電荷受到的電磁力方向也會(huì)改變，若負(fù)電荷受到的力是沿太陽(yáng)半徑向外的，那么太陽(yáng)中的負(fù)電荷將會(huì)被分離到太陽(yáng)的色球?qū)?/p>