论地球磁场的形成

论地球磁场的形成
刘 静 平
摘  要  地球磁场来源于电流产生的磁场和地球磁性物质。地球磁场的主要部分不是来源于地球内部，而是地球绕地轴自西向东旋转使太阳辐射在地球上空形成自东向西旋转电流而产生的电磁场。地球电磁场是地球外部电流体系和地球内部电流体系产生的磁场之和。地球上空不断变化的电流体系和地球内部感应出相应的电流体系使地球磁场强度发生变化，虽然磁极稍有偏移，但磁极不倒转。电磁北极在地理南极附近，电磁南极在地理北极附近。
关键词   电磁形成   磁场变化   地磁倒转
一、电磁形成
电流就是电荷运动，电流必然产生磁场。太阳向宇宙空间发射的电磁波和粒子流使地球上空形成复杂的电流体系,使大地产生感应电场。地球电磁场是地球外部电流体系和内部电流体系产生的磁场之和，主宰地球磁场南北极性的是太阳辐射在地球上空形成的自东向西旋转电流。
㈠、太阳微粒辐射
来自太阳的强大的质子、α粒子、电子及其他带电高能粒子流在接近地球大气前因地球绕地轴自西向东旋转而在地球上空形成自东向西旋转电流，其旋转轨迹与地球纬线不重合，在接近地球大气时偏折流向地球上空向阳面的四面八方并绕地球大气周围向背阳面延伸形成彗星状。
㈡、辐照产生电子
地表上空高层大气的分子和原子在太阳的紫外线、X射线和高能粒子的作用下电离,产生自由电子和正负离子；地表绿色植物的光合色素吸收太阳光能后,把能量传递到反应中心使叶绿素分子发生电荷分离；地表金属及其化合物在阳光照射下发生光电效应逸出电子。这些自由电子和正负离子都是随太阳辐射（辐射轨迹与地球纬线不重合）绕地球自东向西旋转而连续不断地产生的。
㈢、辐射带的电场
地球辐射带是地球周围空间大量高能带电粒子的聚集区。地球辐射带分为内辐射带和外辐射带，在向阳面和背阳面各有一个区并随太阳辐射绕地球自东向西旋转。
内辐射带高度在1～2个地球半径之间,范围限于磁纬度±40°之间,带内含有能量达50兆电子伏的质子和能量大于30兆电子伏的电子。外辐射带高度在3～4个地球半径之间，范围可延伸到磁纬度50°～60°,外带内的带电粒子的能量比内带小。
㈣、地表大气电场
地面物质得到多余的电子带着大量负电荷，大气中有大量的正电荷（太阳辐射绕地球自东向西旋转补充正电荷），使大气中时刻存在电场，其方向指向地面,强度随时间、地点、天气状况和离地面的高度而变。按天气状况可分为晴天电场和扰动天气电场。晴天电场强度在陆地上空达120伏/米，在海洋上空达130伏/米，在工业区上空由于空气中存在高浓度的气溶胶，电场强度会增至每米数百伏。在地表和电离层两个良导电面之间形成的晴天电场，其值以地表为最大，随高度按指数律迅速减小。扰动天气电场同气象要素的变化有关，在层状云和积状云中,电场的大小和方向变化很大，通常出现每米数百伏，雷雨云中还要大2～3个量级。
㈤、地球感应电场
地球内部的电场由感应电场和自然电场组成。感应电场主要是地球上空的各种电流体系在地球内部感应所产生的；自然电场是地球内部的某些物理、化学作用引起的电场。大地电场的幅度随时间变化，方向也不断地改变（由于地球内部没有稳定的自东向西电流，所以地球磁场的主要部分不可能是地球内部电流产生的）。随时间变化的、大尺度的大地电场的最主要部分同变化磁场的起源基本上是一致的，起源于地磁变化的大地电场按一定形式分布于广大地区，有其区域特征。
㈥、地球磁极偏移
地球磁极偏移证明地球磁场的主要部分不是来源于地球内部的磁性物质（没有磁极移动的磁性物质）。地球磁极偏移是产生电磁的电流方向在地表上空发生偏移，由于地球绕太阳公转的角度变化和日地距离变化使太阳光直射地表南北回归线之间的位置不断变化，使太阳光每日照射地球上空和地表的轨迹与地球纬线不重合，使地表上空自东向西旋转电流圈与地球纬线圈不重合而导致地球电磁轴与地球自转轴不重合存在磁偏角。地球在月球及其它天体引力作用下形成地轴摆动，但是太阳辐射使地球上空形成的自东向西旋转电流方向却不跟随地球纬线圈摆动（地球电磁轴不跟随地球自转轴摆动）而导致地磁磁极位置逐年发生一定的变化。
㈦、电磁磁极验证
地球磁场主要是太阳辐射使地球上空形成自东向西旋转电流而产生的电磁场可以用判断通电螺线管磁场磁极的实验原理进行验证：用右手弯曲的四指指向地表上空自东向西旋转电流方向，则右手拇指指的方向就是地球电磁北极（地理南极附近）。可以用小磁针佐证：小磁针南极指的方向就是地球电磁北极（两个相同的磁极会相互排斥,两个不同的磁极会相互吸引）。可以从地球磁场变化进行验证：地球上空不断变化的电流体系及地球内部感应出相应的电流体系使地球磁场强度发生变化,但地球磁极不变。可以从地球磁极偏移进一步证实：月球绕地球旋转使地球绕太阳公转轨迹波动致磁偏角产生微小变化。
二、磁场变化  
地球上空不断变化的电流体系和地球内部感应出相应的电流体系使地球磁场的强度发生短期变化和长期变化。
㈠、地磁场短期变化
地球磁场短期变化是以日、时、分、秒等时间单位为周期的变化。地球磁场短期变化可分为平静变化和干扰变化两大类。平静变化主要是太阳辐射形成的较为稳定的电流体系所致。干扰变化主要是太阳耀斑爆发使太阳辐射增强而形成的各种短暂的电流体系所致。
㈡、地磁场长期变化
    地球磁场的长期变化主要是太阳活动周期性变化所致，可能具有11年、 22年、50～70年、120年、180年、500～600年、1000年和 7000～8000年等周期。
地球磁场的长期变化是一种因地而异的全球性现象。一般在较短时期(十几年或几十年)内，各个地磁要素的长期变化常表现为单向的递增或递减。从中国佘山地磁台各个地磁要素的年均值、极大值和极小值之间相隔的时间可以看出,地球磁场强度的长期变化约具有60年左右的周期。从英国伦敦地球磁场方向的长期变化中可以看出,地球磁场方向的长期变化约具有500～600年左右的周期。
三、地磁倒转
地球磁场主要是地球绕地轴自西向东旋转使太阳辐射在地球上空形成自东向西旋转电流而产生的电磁场，由于地球不可能绕地轴反复旋转，所以地球磁极倒转是不可能的。
地球岩石形成通常含有多种矿物成分，其中或多或少含有一些铁磁性矿物。如火成岩，当岩浆温度降到其中所含的铁磁性矿物的居里点以下，这些矿物被当时当地的地磁场所磁化，从而使得岩石获得磁性。如沉积岩,一部分磁性是由于组成岩石的磁性矿物碎屑在沉积过程中受到地磁场的作用形成定向排列而获得的；另一部分磁性是在成岩过程中由于在常温下氧化等化学反应、相变或结晶增长等原因而获得的。还有等温剩磁、粘滞剩磁、压剩磁等剩磁也都与地磁场有关。另外古砖瓦、古陶器等也含有一些磁性矿物,在焙烧过程中也会获得热剩磁,这种热剩磁也与当时的地磁场有关。在地球上任何地方，相同年代生成的岩石所获得的磁化的方向与当时当地的地磁场方向基本上是一致的。由这些磁化方向推算出的磁极位置就是当时的地磁极位置，而且所有岩石的磁化方向应该对应同一个磁极位置。因此，某些岩石在磁化以后，地理位置发生了变化，因地块的漂移，或在原地发生了水平面内的转动，那么保存在岩石内部的磁化方向也将随之改变其空间方位。由此可以追溯各个大陆的运动历史和它们之间的相互关系，古地磁极移为地壳水平运动提供了强有力的证据，但不能作为地磁倒转的证据。
主 要 参 考 文 献
中国大百科全书·天文学·大气科学·空间科学·生物学·物理学·地理学·地质学·固体地球物理学  图文数据光盘(二十一世纪珍藏版  精华本)
作 者 简 介
刘静平，男，1960年农历2月23日出生，湖南省衡阳市生态环境局衡东分局退休公务员。
注：本文在《科学智慧火花》栏目中发布并刊登在《中国科技信息》2023年第10期。