地球磁場發生和反轉的機理（郭曉強）

指南針的應用使得人類在航海技術方面，取得了巨大的成功。哥倫布和麥哲倫的環球航行，最終證明了地球是球體。現代科學技術在探索地球磁場方面，已經取得了豐富的成果，並且通過對外太空的探索，發現了在太陽系的9大行星中，除金星，火星，水星之外，其他行星都有自己的磁場。太陽也有巨大的磁場。但是，關於地球磁場究竟是怎樣產生的這個問題，至今沒有令人信服，公認的理論。大體看來，關於地球磁場形成的假說基本上可以概括為以下四種：1.鐵鎳核心說（巨大磁鐵）。2.地球內部電流說（「發電機效應」）。3。地球大氣電離說（電磁轉換）。4，溫差效應說（熱，電，磁效應）。在討論地球磁場產生機理之前，讓我們先來了解「磁」現象的本質： 「丹麥科學家奧斯特於1820年發現電流的磁效應，第一次揭示了磁與電存在著聯繫，從而把電學和磁學聯繫起來。為了解釋永磁和磁化現象，安培提出了分子電流假說。安培認為，任何物質的分子中都存在著環形電流，稱為分子龜流，而分子電流相當一個基元磁體。當物質在宏觀上不存在磁性時，這些分子電流做的取向是無規則的，它們對外界所產生的磁效應互相抵消，故使整個物體不顯磁性。在外磁場作用下，等效於基元磁體的各個分子電流將傾向於沿外磁場方向取向，而使物體顯示磁性。安培的假說還說明了磁體的N、S兩種磁極不能單獨存在的原因，因為基元磁體的兩個極對應於環形電流所在平面的兩個側面，顯然這兩個側面是不能單獨存在的。近代物理表明：原子核外電子除繞核運動外，電子自身還有自旋。分子、原子等微觀粒子內這些電子的運動均構成等效的分子電流。按照近代的觀點，電荷在（不論其運動與否）其周圍激發電場。而運動電荷（電流）在其周圍激發磁場。與電場是一種特殊的物質一樣，磁場也是一種特殊物質，在磁場中的運動電荷（電流）受到該磁場給予的作用力（磁場力）。電流I1和I2之間的相互作用，是I1的磁場給其場中的電流I2以作用；反過來I2的磁場又給其場中電流I2以作用。電流之間的相互作用是通過磁場來傳遞的。永磁體之間的磁現象，來源於永磁體中分子電流所激發的磁場和磁場給永磁體內分子電流的作用力。」① 這應該是迄今為止最權威的關於磁本質的科學假說。它說明電場和磁場應該是孿生現象而不是可以單獨存在的物質形態。 如果我們把磁場問題僅限表面現象,那麼上面的四種關於地球磁場假說似乎都有道理。但是，迄今為止，沒有一種假說可以全面解釋地球磁場呈現的複雜，並且處在不斷變化中的現象。關於地球磁場是處在不斷的變化中的事實，已經為現代科學界所公認。人們在長期的觀察實踐中，發現了地球磁場的許多秘密。如地球的地理兩極和南北磁極存在11.5度的夾角；地球的磁場曾經是南北顛倒的；地球磁場強度分布並不均勻；近200年以來，地球磁場正在減弱；太陽活動會引起『磁爆「等等。但是，人們對這些現象後面的原因，卻眾說紛紜。在不同的解釋後面，其實涉及到一個根本的問題：地球磁場產生的機理究竟是什麼？ 最早的理論認為，地球內部存在一個鐵質內核，地球就像一塊巨大的天然磁鐵。這個理論很快就被現代科學技術知識否定：什麼樣的磁鐵可以在幾千度的高溫下保持磁性呢？物理學常識可以告訴你，世界上不可能存在這樣的磁性物質。（居里點是攝氏770度，而地心的溫度遠高於此。）後來又出現了一種假說，它提出在地幔下面，存在著一層導電的液態金屬，由於它在地核和地殼之間的相對運動產生了電流，由電磁轉換產生磁場。這種假說既不能解釋這種液態金屬的流動原因和機理，又無法說明地球磁場的減弱和反轉現象，所以也難以成立。 第三種假說認為，地球的內核是由鐵鎳組成的，內核的轉動與地球的轉動不同步,具有很強導電能力的內核也成為一台等離子發電機,由此而產生的電流產生了地球的磁場。但地球內核的轉動與地球的轉動是否不同步，並沒有可靠的科學依據來證明，同時它也不能解釋「地磁傾極」現象。所以可以斷定這種地球磁場起源的假設因為不能成立。此外，還有所謂的「發電機效應」在地球大氣的電離層中發生的假說。它不能成立的理由和上面的假說類似。以上這些假說，除了不能合理地解釋地球磁場的產生原因之外，更不能解釋地球磁場的反向和變化，以及地球磁場與太陽活動的聯繫。所以它們都是不能成立的。 如果我們僅僅把探索的目光局限於地球，也許不是解決地球磁場發生機理的最佳途徑。 根據人類對外太空探索的成果，對我們找到正確的答案有極大的幫助。現代天文學知識告訴我們，太陽系在宇宙空間中是一個相對獨立的系統。太陽和它的8大行星，小行星帶，不時而至的彗星組成了一個小宇宙，而太陽是這個宇宙的中心。太陽不停地向空間發射著電磁波和高能射線。並且現在已經證明太陽也有著強大的磁場。在8大行星中，火星，水星和金星的磁場很微弱，其他大部分行星都有可以探測到的磁場。從邏輯上分析，太陽系的行星磁場應該有相同或者近似的發生機理。這就為我們揭開磁場產生之迷指明了一個正確的方向。 磁和電之間可以相互轉換，電場和磁場在廣袤的宇宙空間中是如影相隨的。作者提出這樣的假說：太陽以高能射線和電磁波的形式向整個黃道平面發射著電磁力線，而行星的磁場則是太陽電磁能量與行星外層導體相互作用的產物。 下面，我們將以太陽系的8大行星的實際觀察資料來逐一驗證這個假說的符合程度。首先讓我們從水星----這個離太陽最近的行星開始。天文學資料告訴我們，水星有一個和地球類似巨大的鐵鎳內核，但是它基本沒有自己的磁場。它的密度比地球略小。為5.44克/每立方厘米。它表面沒有水。晝夜溫差很大。白晝是673度，黑夜是零下160度。金星------理論推算它也有個鐵鎳內核，但是基本不存在自己的磁場。它的表面溫度很高（465度—485度）不存在液態水。但是有濃密的大氣。和地球一樣，它的大氣中也存在電離層。它的大氣的主要成分是二氧化碳，有少量的一氧化碳，氬氣，水蒸氣和一氧化氮. 火星------密度3.933 /立方厘米。 基本沒有自己的磁場。表面沒有液體水.根據理論推算它沒有鐵質的內核。存在基本由二氧化碳組成很稀薄的大氣。 木星------密度1.33克/立方厘米。 存在一個鐵質內核外麵包著一層厚達46000公里的金屬氫層。它有一個比地球更強大的磁場，但是方向相反。它的磁極和自轉軸之間也有一個夾角（10.8度）土星---密度0.7克 /立方厘米。 存在一個岩石內核。核外麵包著一層厚達5000公里的冰殼，再外面是厚8000公里的金屬氫層。存在自己磁場（卡西尼號正在探測中）。 天王星----密度1.24克 /立方厘米。 現在人們還不知道它的內部結構。它存在自己多極的，怪異的，磁偏角為47度的磁場。 海王星----密度1.64克 /立方厘米。 可能存在石質或者冰質的內核。它也存在和天王星類似的怪異磁場，磁偏角為59度。 上面是太陽系8大行星的基本數據。從這些數據看，我們對它們的了解還是很初步的。歸納起來看，在4個類地行星中，除了地球外，水星，金星，火星都基本沒有磁場。在類木行星中，都存在自己的磁場。 這是偶然的還是必然的呢？ 為了回答這些問題，我們只能從每個行星現在已經掌握的資料著手去逐一分析。在4個類地行星中為什麼只有地球存在自己的磁場呢，是因為它具有一個鐵質的內核嗎？顯然不是。因為水星 金星，同樣存在鐵質的內核。並且我們前面已經證明，行星磁場不可能是由鐵質內核產生的。那麼，是因為只有地球內部才能夠存在「壓電效應」或者「發電機效應」嗎？顯然這個理由也是牽強的——水星，金星的內部構造也和地球是類似的。最後，是因為地球大氣層的電離層構造嗎？看來也很難把行星磁場的存在和電離層聯繫起來。金星有和地球類似的電離層，但是它卻沒有自己的磁場。水星和火星也有大氣，但是它們同樣基本沒有自己的磁場。水星，金星和火星上面沒有液態水，更不存在海洋。（但是根據美國的「火星環球勘探者號」最新的報告和其他火星地貌照片分析，火星在遙遠的過去時代，應該是存在海洋和磁場的。這是個重大的，了不起的發現. 「火星環球勘探者號」不但發現了火星岩石的剩餘磁痕迹，同時還發現它們外殼的岩石和地球岩石一樣，曾經有過南北磁場顛倒的現象。這就證明，在過去遙遠的時代中，火星曾經和地球具有類似的環境條件。其中當然也包括具有和地球類似的磁場。） 讓我們繼續下面分析類木行星的情況。 天文學資料告訴我們，木星具有強大的磁場，並且這個磁場的方向是和地球磁場的方向是相反的。類木行星沒有鐵鎳質的內核，也不存在和地球一樣的電離層。木星的外殼中存在一個厚厚的金屬氫層，而金屬氫是很好的導體。土星的情況和木星類似。天王星和海王星的內部結構我們現在還不清楚。但是從它們也存在自己磁場的現象可以推知，它們也可能存在一層導電外殼。至於為什麼它們具有一個怪異的多極磁場的問題，還需要做進一步的研究和分析。那麼，究竟是什麼原因使得行星擁有或者沒有自己的磁場呢？ 我們如果仔細分析就可以發現：凡是存在自己磁場的行星有個共同點-----能夠導電的外殼。海水是比較良好的導體，地球的導電外殼正是那廣袤無垠的藍色的海洋。②從我們已經考察過的太陽系8大行星的基本情況看，得出的初步結論是這樣的：行星磁場的發生機理應該是相同或者近似的。為此我們用排除法逐一考察了除冥王星之外的8個行星，發現存在自己磁場的有地球，木星。土星，天王星和海王星。並從中歸納出了它們共同的特徵：存在一個性能良好的導體外殼層。在地球上面這個導體是海洋；在類木行星上面，這個導體就是金屬氫層。 正是由於這個導電層的存在，使得行星圍繞太陽公轉時，切割太陽電磁場並在行星導電外殼中產生了感應電流，從而形成了行星自己的磁場。因為地球和類木行星的自轉軸和黃道平面都存在一定的傾角及導體內部結構的差異，所以它們的磁場兩極都存在磁偏角而不是和地理兩極重合。由於行星的自轉軸存在緩慢的沿經線方向的旋轉，所以經過若干萬年後，行星自己的磁場就會發生減弱和南北顛倒現象。火星和地球的例子就證明這個判斷的真實性。 讓我們再來考察火星。從現在已經探測到的資料看，它在很久以前曾經是存在過海洋的，也曾經有過自己的磁場。並且和地球一樣，對火星的岩石的磁力探測證明，它的磁場也曾發生發生過顛倒。 現在的火星表面是沒有液態水的（火星表面溫度太低負27---負160度。）至於是什麼原因使火星變得如此寒冷呢？作者認為是由於它的公轉軌道外移造成的。火星原來是在地球現在的軌道上圍繞太陽運行，後來因為太陽引力的變化，逐漸移到了它現在的位置。由於火星的海洋現在已經被凍結成為巨大的冰體，失去了導電性能。故火星磁場也隨之消失了。 下面我們繼續用這個假說來解釋地球磁場的諸多特徵。 1.為什麼地球磁場的兩極和地理兩極存在一個夾角？現在知道，1975年地球的N磁極位於南緯66.5度/東經140.3度（這個位置在澳大利亞以南的南極圈附近）；S磁極位於北緯75.5度/西經101.0度（這個位置在加拿大的維多利亞島附近）。這就是所謂的「地磁傾極」，是以實際觀測的數據決定的。這兩個地點不在地球同一直徑的兩端，大約偏離2500千米。另外還有通過理論計算得到的「偶極子磁極」。它們的經緯度是：N極------南緯79.0度/東經110.，S極------北緯79.0/西經70.0度。和地球自轉軸的夾角是11.0度。（注意：這個偶極子磁極是人們假設的）③現在科學界對「地磁傾極」和「偶極子磁極」不重合現象的解釋是，因為地球上面還存在著非偶極子磁場。但是，是什麼原因形成了地球的非偶極子磁場呢？現在還沒有令人信服的解釋。為了形象地闡明作者的觀點,下面請看地球兩極的衛星照片地球南北極衛星照片 從地球南北兩極的衛星照片中我們可以清楚地看到，地球的南北半球海洋和陸地的分布是不同的。北半球陸地面積是南半球陸地面積的2倍多。 按照作者的假說，地球磁場是由於地球圍繞太陽公轉，切割太陽電磁場並在海洋中引起感應電流而產生的。在南半球，感應電流能夠通過南太平洋，大西洋，印度洋順暢地圍繞南極大陸循環流動；而在北半球感應電流只能在北冰洋狹窄的範圍內，以及通過從大西洋－巴拿馬運河－太平洋－－紅海－蘇伊士運河－地中海大西洋完成自己的循環。由這樣不同電流通道形成的地球南北磁極，肯定不可能和地球的「偶極子磁場」吻合；更不可能和地理南北極重合。「地磁傾極」和地球自轉軸之間的差異，應該是地球赤道平面和黃道平面的傾角，以及地球南北半球的陸海分布差異共同作用形成的現象。 地球磁場的減弱和翻轉也可以用這樣的假說來證明。地球的公轉從北極看，是逆時針方向，產生的感應電流是順時針方向．因此地球磁場是上S下N；當地球的南極旋轉到現在的北極位置時，感應電流產生的磁場方向仍然是上S下N，所以地球岩石中間保存的南北磁場反轉記錄就是順理成章的了。地球磁場消失現象也可以解釋：當地球「橫」著轉的情況下，一個半球在半年時間內是處於冰凍狀態，加上大陸的阻隔，無法形成感應電流迴路，自然也就沒有統一的磁場了。　　關於地球存在非偶極子磁場的現象，完全可以用地球海陸分布的的非對稱性和不同方向的洋流現象來解釋。大家知道，當海洋感應電流通道被大陸阻隔，它必然會尋找其他可能的通道完成自己的循環，在地球的北半球情況正是這樣。由於中美洲地峽和亞非大陸的阻隔，北半球的海洋感應電流不能像南半球規則有序流動，在巴拿馬地峽，白令海峽，紅海－－地中海附近形成局部的環形電流或者紊流是必然的。這就是非偶極子磁場產生的原因。關於「磁爆」現象，用感應電流假說來看，就更是順理成章的。當太陽出現異常活動時，必然引起它向四周輻射電磁場強度大大增加，派生的地球磁場必然受到影響而發生強度異常現象。 太陽的質量占整個太陽系質量的99.8%，太陽為整個太陽系提供著光，熱，高能射線等強大的能量。因此，太陽系內行星必然受太陽活動的巨大影響。而以往人們對地球的很多自然現象的研究，常常是把地球看成是一個孤立天體，只注意到在地球的物理，化學範圍內去尋找自然之迷的答案。缺乏從整個太陽系這個大尺度看問題的自覺性。這就是迄今為止，關於地球磁場產生機理研究處於迷茫狀態的根本原因。 這裡作者還準備從上述關於地球磁場產生機理的角度出發，對舉世聞名的百幕大「魔鬼三角」現象作一探索。 所謂百慕大三角，是指北起百慕大群島，西到美國佛羅里達州的邁阿密，南至波多黎各的一個三角形海域。從1945年開始，數以百計的飛機和船隻都在這裡神秘地失蹤。現在，百慕大三角已經成為那些神秘的、不可理解的各種失蹤事件的代名詞。 百慕大三角之謎自出現以來就眾說紛紜，一些百慕大三角的旅行者們每次驚險回歸後就報道了他們的古怪經歷：他們乘坐的船或者飛機會被一種奇怪的蒸汽所吞沒，爾後所有的儀器都失靈、紊亂了，莫名其妙的霧會在整個海面上升起，而當時的自然天氣都不可能產生霧，人們直到今天也沒有找到令人信服的理由來解釋這些電磁失常情況。於是各種猜測眾說紛紜，其中最流行的就是「外星人」劫持。如同關於飛碟傳說一樣，外星人在百慕大三角劫持船隻和飛機的說法，也僅僅是人類對神秘事物的幻想，缺乏科學證據的支持。 美國海軍曾經作過人工超強磁場試驗，把一艘軍艦置於超強人工磁場中，結果是驚人的：整個軍艦完全籠罩在一團綠色煙霧中，一切都在瞬間消失了！ 如果我們同意這些奇怪現象都是因為那個地區的磁場異常所引起的，那麼為什麼這裡的電磁場會經常異常呢？在回答這個問題前，先讓我們來分析一下該地區的海洋地理特徵： 百幕大三角區範圍圖從這張百幕大三角地區範圍地圖上面，我們可以清楚地看到。該地區處在中美洲地峽以北並且橫跨北回歸線。附近有眾多群島和海峽：列斯群島之間的佛羅里達海峽和向風海峽，莫納海峽，以及由小安的列斯群島之間的阿內加達海峽，瓜德羅普海峽，聖文森特海峽。 在巴拿馬運河開鑿通航之前，大西洋和太平洋是分隔開的。在地球北半球繞太陽公轉形成的強大海洋電流不可能在這個地區形成通道而只能從北面繞過美洲大陸。由於這樣的地理阻隔，海洋感應電流完全可能在這個地區的海洋中形成環形電流．從而產生非偶極子磁場。但是，這樣的情形在巴拿馬運河通航以後就發生了改變。１９１４年８月１５日正式通航的巴拿馬運河使太平洋和大西洋之間的航程縮短１．６萬公里。同時這條運河也為地球強大的海洋電流提供了新的便捷通道。由於百幕大地區特殊的地形條件，海洋電流密度很大，自然造成這個地區強烈的磁場異常。也就是說，百幕大曾經是地球磁場的一個非偶極子磁極。在巴拿馬運河開通以後，這裡又變成了一個地球磁場強大異常區域．支持我們這個假說的一個有力證據是：絕大多數關於百幕大「魔鬼三角」的恐怖傳聞都發生在1914以後(巴拿馬運河開通以後)。雖然在哥倫布達到美洲的航海日記中也提到磁針失靈現象，但是其恐怖程度顯然不能和1914年以來的飛機，輪船失事的情況相比較。作者的觀點是這樣：在巴拿馬運河開通之前，百幕大地區由於特殊的海洋地理位置：附近存在一股強大的墨西哥灣暖流，已經存在一個非偶極子磁場，但是強度並不是很大，最多算是地球磁場的一處「渦旋」。在巴拿馬運河連通了大西洋和太平洋水體以後，這個地球磁場「渦旋」終於發展成為地球的一個強大的磁場異常區域，導致了自1914年以來大量神秘飛機，輪船的失蹤事迹件頻繁發生。其實要驗證這個假說是能夠辦到的。可以在百幕大地區不同地點安放固定的磁力計，通過分析二者之間真實的客觀聯繫數值也許能夠最終解開「魔鬼三角」之迷。日本東面的「龍三角」是除百幕大三角之外的另一個海難，空難高發區域。此外在紅海和地中海局部區域也存在和百幕大海域類似現象。作者認為，這些海域的異常現象也是由於大密度的海洋感應電流形成的強烈地球磁場變化的結果。關於地球磁場的發生機理,迄今為止出現的都只能是科學假說.本人並不認為自己提出的這個假說已經達到完善的程度,但這個新假說肯定是全新的,比較系統地解釋了地球磁場的特徵.
推薦閱讀：