【摘 要】人们很早就发现和利用了地磁场，并对地磁场的起源提出了多种假说，但无一能够解答所有问题，于是爱因斯坦曾把地磁场的起源列为物理学的五大难题之一。近来作者重新分析了地球的形成与演进过程及其内部结构与外部环境，找到了地磁场的成因：地球两极的涡旋结构可产生螺旋电流，从而在两极分别形成一系列方向相同的偶极磁场，叠加上各地云层大气电路形成的局部非偶极磁场，便产生了当今的地磁场。当地球进入大冰期时，蒸发和漂移到极地的云气很少，极地涡旋结构很薄弱，形成的偶极磁场弱于局部非偶极磁场，便发生地磁倒转。这一新理论也可以揭示一般星球磁场的形成原因与倒转规律。
【关键词】地磁场；偶极磁场；非偶极磁场；冰期；磁倒转
中图分类号： P318 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）34-0012-005
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.34.006
New Discovery of the Origin and Reversal of Geomagnetic Field
ZHONG Cui-xiang
（Department of Physics，Jiangxi Normal University，Nanchang Jiangxi 330022，China）
【Abstract】Although geomagnetic field has been found and utilized for a long time，and many hypotheses have been proposed about the origin of geomagnetic field， yet so far none of them is able to completely answer every question about the geomagnetic field，so Einstein once classified the origin of the geomagnetic field as one of the five difficult problems in physics.Recently，the author analyzed the formation and evolution of the Earth as well as its internal structure and external environment again，and has found the origin of the geomagnetic field：the polar vortexes at Earth’s North and South Poles can produce spiral currents，then form a magnetic dipole at Earth’s North and South Poles respectively， adding the local non-dipole magnetic fields produced by the atmospheric circuits around the clouds there，finally producing the current geomagnetic field.If the Earth enters a glacial period，there is little cloud vaporized from the non-polar regions and moved to the polar regions，so the polar vortexes are very weak， the resulting dipole magnetic fields are weaker than local non-dipole magnetic fields of opposite polarity，so the superposition of these two kinds of magnetic fields yields a new geomagnetic field of opposite polarity. This new theory can also reveal the origin of other stars’ magnetic fields and the law of their reversal.
【Key words】Geomagnetic field；Magnetic dipole；Non-dipole magnetic field；Glacial stage；Geomagnetic reversal
0 引言
早在兩千多年前，人们就已发现并利用了地磁场，但很长时间未能揭示“磁现象的电本质”，直到1820年奥斯特发现了“电流的磁效应”和1821年法拉第发现了“电磁感应现象”并利用其中的原理发明了电动机和发电机，人们对“磁现象的电本质”才有了根本性认识。即便如此，人们对自己周围的地磁场还没有足够的认识，对其成因和变化规律也没有彻底地把握。虽然人们对地磁场起源的研究已有近400年的历史并提出了多种假说，但至今仍无一种假说能够圆满解答地磁场的各种问题（宋德生&李国栋，1996），因此爱因斯坦曾把地磁场的起源列为物理学的五大难题之一。幸而，近来作者重新分析了地球的形成与演进过程及其内部结构与外部环境，找到了地磁场的形成和倒转的原因，并根据这一新理论可以揭示一般星球磁场的形成原因与倒转规律。
1 关于地磁场成因的已有假说
由于地磁场的重要性，人们一直在探索地磁场的成因，经过几百年的研究，人们对地磁场的特性有了更深刻的了解，并提出了多种假说（黄国良，1988；李安生&贾拴稳2007），包括铁磁成因说、地表电荷旋转说、发电机理论、地幔电场旋转说和自激发电机说。目前比较有影响的是“自激发电机说”，该假说用地核比地壳和地幔转得快去解释地磁场的起源，但这种解释同样存在错误。虽然潮汐会使地壳和地幔自转变慢，地核放射性物质衰变产生的轻物质（主要为氦）上升也能使地壳和地幔自转变慢，地球分层运动叠加后的速度差，使地核比地幔和地壳三百年才多转一周。通过计算可发现这个速度差不可能激发现在的地磁场。因此用该假说去解释地磁场的形成也不符合实际。
2 地磁场形成的真正原因
通过早期的古地磁研究和现代的空间地磁探测，人们发现地磁场应该科学地划分为偶极性磁场与非偶极性磁场两部分。其中偶极性磁场占地磁场总量的90%，非偶极性磁场仅占地磁场总量的一小部分，两者叠加在一起就产生了现在的地磁场。研究还表明导致偶极性磁场变化的是一种全球性机制，导致非偶极性磁场变化的是一种局地机制（郭凤霞et al.，2007；李力刚2016）。
2.1 非偶极性磁场的形成机制
已知地球的年龄约为45.5亿年，而从原始地球形成经过早期演化到具有分层结构只要几亿年时间，最原始的地壳大约在40亿年前出现了。而迄今发现的最早地磁记录在35～40亿年前，可见地磁的起源晚于地球分层结构的形成，而与大气层的形成时间相近。另外，地磁的时空多变性也表明地磁的产生与大气层的形成与演变紧密相关。所以在研究地磁场的成因时应该从大气层的形成与演进着手。
地球大气层是地球形成和演化的产物，其演化大致经历了原始大气、次生大气和现在大气三个阶段。随着地球质量的增加，大气层还在逐渐增厚，整个大气层随高度的不同表现出不同的特点，可分成多个层次（Cui-Xiang Zhong，2016；J.M.Wallace&P.V.Hobbs，1977）：
（1）对流层——这是大气圈中最靠近地面的一层，平均厚度为12km.
（2）平流层——位于对流层之上，其上界伸展至约55km处。该层的特点是空气流以水平运动为主，气流大，水汽含量小，难以形成云层。
（3）中间层——从平流层顶至85km的范围为中间层。
（4）热成层——位于85～800km的高度之间。该层的气体在太阳紫外线和宇宙射线的作用下处于电离状态。电离产生的原子氧、原子氮能强烈吸收太阳的短波辐射，形成带正电荷的阳离子。其中部分阳离子会向下扩散到对流层，聚集到云层的顶部。
（5）散逸层——800km以上的空间统称为散逸层。该层大气稀薄，气温高，分子运动快，地球对气体分子的吸引力小，因此气体及微粒可飞出地球引力场而进入太空。
由此可见，人们常见的云只能形成于对流层，因为只有在空气垂直上升运动很强烈的地方，水汽才能上升并遇冷成云，而平流层以上均不满足此条件。事实上，在对流层中有高度不同的多种云，大致可分为高云、中云和底云。高云的高度在8000～13000m，外形像薄薄的纱巾或羽毛；中云高度在2000～8000m，一般可以遮天蔽日，還可以产生连续的降水；低云高度在2000m以下，外形特点像棉花糖或呈泡沫状迅速发展，可产生雷阵雨。因此，研究云的起电机制主要考虑中低层云。
由于云的碰撞、摩擦、宇宙射线或其他电离过程的作用，大气中会产生大量的正离子和负离子。在云中的水滴上，电荷分布是不均匀的：最外边的分子带负电，里层带正电，内层比外层的电位差约高0.25 伏特。为了平衡这个电位差，水滴必须“优先’吸收大气中的负离子，这样就使水滴逐渐带上了负电荷。在对流过程中，较轻的正离子逐渐被上升气流带到云的上部；而带负电的云滴因为比较重，就留在云的底部，造成了正负电荷的分离。因此，常常是正电荷聚集在云的上层，负电荷聚集在云的下层。另外，当天空中空气的湿度很大、两块云之间的电压很高时，潮湿的空气也会变成导体，使电流通过天空，因此大气中到处有电场和电流。特别地，由于云团之间频繁的摩擦与碰撞，导致云团中或云团之间频繁放电，甚至产生雷暴。大气物理学的新近研究表明，在任何时刻地球上大约都有2000个雷暴在活动。云的每一次放电或每一个雷暴都好似一部静电起电机，能将电流送到云的上层甚至大气上层、云的下层甚至地面以及云团内部，形成完整的大气电路（张三慧，2008；吴迎燕，2008），如图1所示，其中每个大气电路中的环形电流都可产生一个微弱的局部地磁场，这些极性不同的局部地磁场叠加在一起就形成了局部非偶极性磁场。不过，由于地球自西向东转，在地球与云之间的万有引力作用下，云也随着地球转，因此云的主流也是自西向东转，因而环流平面垂直于地球转轴的环路电流（如图1所示）在形成局部非偶极磁场中占据主导地位，使得叠加所得的局部非偶极磁场的磁北极指向地理北极而磁南极指向地理南极。
2.2 偶极性磁场的形成机制
由于过去人们把地球视为一个简单的磁偶极（magnetic dipole），因此在寻找地磁场的成因时只专注于地球的内部结构，而往往忽视地球的外部环境，因此未能发现令人信服的地磁场的形成机制。事实上，星球的电磁场主要由其外部大气层中的带电离子的运动产生的，因此我们在研究一个星球的磁场时不能只看其内部结构，而应该更多地关注其外部大气环境。不能因为空气无色无味且透明而将其忽视无睹。
众所周知，地球拥有浓密的大气层。由于地球自转离心力的作用使地球成长为赤道隆起、两极稍扁的球体，使地球两极位置的半径小于赤道及其他位置的半径，而万有引力和距离的平方成反比。当地球快速自转时，产生的强大离心力使赤道和低纬度地区上空的云气容易远离其旋转轨道而沿着螺旋轨道向南极或北极移动。由于极地位置的万有引力大于其他位置的万有引力，因此当云气移到极地上空时容易被极地的万有引力吸引住，云气吸入冷空气后便凝结成厚重的云团而下沉。许多坠向极地的云团随着地球的自转便形成一股很强的围绕极地旋转的环流，即“极地涡旋”，如图2所示。地球有两个较大的涡旋结构，分别位于南极和北极，深度可跨越地球的对流层和平流层。这种涡旋结构常年存在，在冬季达到最大强度。当北极处于夏季，其涡旋不显著时，南极处于冬季，其涡旋显著；当南极处于夏季，其涡旋不显著时，北极处于冬季，其涡旋显著。所以这两个涡旋结构具有优势互补的作用。
由于卷入极地涡旋的云团数量巨大且以螺旋方式快速旋转，因此可形成一系列宽厚的螺旋云路，这种云路不仅便于较重的水滴向下流动而且便于电荷的传递，可谓是导电性能极佳的电路。由于卷入极地涡旋的云团数量巨大且快速旋转，容易发生剧烈的摩擦和碰撞，使涡旋中充满了正离子和负离子，并在涡旋中产生许多电流和闪电，如图3所示。云中的水滴“优先”吸收大气中的负离子，使水滴逐渐带上了负电荷，因为带负电的云滴比较重，就下移到云的下部甚至沿螺旋云路流落到涡旋底部，较轻的正离子逐渐被上升气流带到云的上部甚至涡旋顶部，从而在螺旋云路中形成了从涡旋底部流向涡旋顶部的电流。特别地，由于螺旋云路上的云团数量巨大且快速旋转，容易发生剧烈的摩擦和碰撞，不断地产生雷暴，每个雷暴好似一部静电起电机，能产生负电荷并将其送到涡旋底部，同时将正电荷送到涡旋顶部，形成沿着螺旋云路从涡旋底部流向涡旋顶部的强大电流。由于这种电流源源不断地沿着螺旋云路从涡旋底部流向涡旋顶部，因此就产生了强大的偶极磁场，这种磁场的N极指向地理南极而磁场的S极指向地理北极，如图4所示。正是这些处于地球南北两极的同向偶极磁场叠加在一起，再与局地非偶极磁场叠加在一起，便形成了当今的地磁场。
3 地磁場倒转的原因
由于地球当前处于间冰期，地球表面温度较高，经常能蒸发出大量的水汽，并由上升气流带到高空中，受冷空气影响凝结成云层。随着地球的快速自转，产生的强大离心力使赤道和低纬度地区上空的云团容易远离其旋转轨道而沿着螺旋线轨道向南极或北极移动。当云团移到极地上空时容易被极地的万有引力吸引住，吸入冷空气后便凝结成厚重的云团而下沉。许多坠向极地的云团随着地球的自转便形成一股很强的围绕极地旋转的环流，即“极地涡旋”。正是位于地球两极的涡旋结构产生了两个偶极子磁场，在地磁场的形成中起着支配作用，才使得磁场的N极指向地理南极而磁场的S极指向地理北极。
当地球进入大冰期时，大部分陆地和海洋都被冰层覆盖，无法蒸发起大量的水汽来形成云层。即使有少量的云气随着地球的自转而移动，移不了多远也会被冷空气冻结而下沉到地表，所以无法在地球两极之形成巨大的涡旋结构，也就无法产生强大的偶极磁场，因此在地磁场的形成中只有非偶极磁场起支配作用，因此地磁发生极性倒转。比如，随着太阳带着其行星在银河系中转来转去，太阳系容易进入像近银点这样被多层星球包围、缺乏燃料资源的空间，在这种情况下太阳产生的热量大减，就可能使地球表面的温度降低，使地球进入冰河期，从而地磁极性发生倒转（Raup，D.M.，1985；Lutz，T.M.，1985；Coe，R.S.et al.，1995；Bogue，S.W.，2010；Glassmeier et al.，2010；Sagnotti L et al.，2014）。
由于木星表面温度是-168℃，极其寒冷，因此木星浓厚云层就凝结在木星表面，很少飘移到两极，使木星两极的偶极磁场弱于局地非偶极磁场，所以这两种磁场的叠加导致木星磁场的的极性与当今地磁场正好相反。
5 结论
由于许多人一直错误地把地磁场的成因归结为地球内部物质运动的结果，而忽视了难以察觉的大气运动和风云变幻，结果提出的关于地磁场成因的多种假说矛盾重重、难以置信，无法解释磁场空间分布的不均匀性和随时间不断变化的特性，包括磁偏角和地磁场的倒转现象。于是作者从地球的形成与演进出发，分析了地球大气层的形成和演进过程，发现了地磁场的成因，即地球两极的涡旋结构可产生螺旋电流，从而形成两个强大的方向相同的偶极磁场，叠加上各地云层的环流电路形成的局地非偶极磁场，便产生了当今的地磁场。当地球进入大冰期之后，蒸发和移到极地的云气很少，极地涡旋结构很薄弱，形成的偶极磁场弱于局地非偶极磁场，叠加的结果相当于发生了地磁倒转。这一新理论也可以解释一般星球磁场的形成原因与倒转规律。
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