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刍论其他天体和地球磁场、磁偏角的产生与变化
摘要：文章以磁学的研究方法及电磁现象的本质为依据，对地球内部磁分子形成的机理和特点进行了分析，从而推论地球和其他天体磁场的产生机理和变化原因，进而对天体的磁偏角产生原因与规律做出推论。
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已有的科学研究证明，地球磁场对地球外来高能粒子具有屏蔽的作用，因此，给地球上的人类和其它生物创造了一个良好的生存环境。现在，科学研究还发现，借助地磁场来指示方向并不是我们人类独有的本领，其它许多动物也能利用地球的磁场作为导向。因此，对地球磁场起源的研究具有较大的意义和应用价值。
自从1600年英国宫廷医生吉尔伯特根据铁、钴、镍等物质具有磁性的事实，对地球磁场起源提出设想后，人们对地磁场的探索力度越来越大，对其起源的研究也不断地深入，已提出的假说主要有旋转电荷、压电效应、发电机理论、温差电效应、电流说等，虽然这些假说背后都有科学证据支持，但对地球磁场产生的各种现象的解释仍然没有彻底理清，使得地球磁场的成因到现在仍不明晰。
笔者在认真审视了以往人们对地磁成因的研究思路，研究方法等之后，另辟蹊径，对地球磁场的产生机理和变化原因进行了全新探究。笔者发现，人们对地球磁场起源研究一直处于迷茫状态的原因是：人们对处于高温高压条件下的地球内部物质的物理状态和物理性质缺乏足够的认识，存在偏差和错解。所以，对地磁场和其他天体磁场的产生机理和变化原因，本文主要从这方面进行分析，希望以此来深化和改变人们对星球内部和磁现象的认知。
一、地磁场的时空特征
(一) 地磁场及磁偏角
地球本身是一个磁体，从外部空间上看，地球磁场分布比较简单，形状类似一个大条形磁铁的磁场，磁场两极各自处在地球南、北两极附近位置上，虽然磁场两极与地理两极位置比较接近，但不会重合，而是有着一个较小的夹角，这个夹角大家称磁偏角。地球的磁偏角数值不是恒定不变的，而是随着时间一直缓慢变化着的。
(二) 地磁场的极值分布区
地球的整个磁场强度在北美、西伯利亚和南极大陆附近达到最大值，而在靠近赤道的中太平洋和南美洲中部存在极小值。地球磁圈在白昼区(向日面)受到带电粒子的影响而被挤压，在地球黑夜区(背13面)则向外伸出。
(三) 地磁场的强度及变化
根据地磁测量数据，地球表面上的磁场强度，由两极向赤道呈线性减弱，地理两极位置上的磁场强度在0．65高斯左右，而赤道地区的磁场强度在0．30高斯左右。虽然地球的磁场强度很弱，但分布在地球周围的空间却很大，磁感线在南北两极区域与地表竖直，赤道处的磁感线则基本上与地表平行。另外，地球磁场是在不停地变化着的，其主要特征表现在地球周围各处的磁场强度不恒定，磁极位置在地表上大约以每年八公里的速度向西迁移。
二、地球磁场的成因
(一) 传导电流
地球的基本磁场在地球周围空间的分布，形状类似一个大条形磁铁的磁场，这说明地球磁场起源于地球内部。但地球内部的温度是远远超过磁性物质的居里点的，地球内部怎么会产生磁场呢?近百年来，这一科学问题一直困惑着研究人员的智慧，但研究人员对这一问题的有关研究从未停止。以前，研究人员一直都把研究的目光聚集在传导电流上，因为传导电流能产生磁场。但在近些年，随着地磁学和其他学科的研究不断地深入、发展以及融合，人们发现，地球内部根本就不存在人们想象中的传导电流。因而，关于地球磁场的成因，我们还得认真思考寻找新的研究思路和方法。
(二) 对地磁成因的新解
关于磁现象的电本质对地球磁场起源的研究，人们有着较为一致的观点，任何磁现象都来源于电荷的定向运动。根据这一论断，人们会提出一系列的问题。地球内部的这些电荷在哪里?怎么获得的这些电荷?这些电荷又是怎样运动的?驱使这些电荷运动的能量又来自哪里。针对这些疑问，现在，我们有必要关注一下这样一个问题：地球内部物质在高温高压环境下，物质的物理状态和物理性质又是怎样的呢?
笔者基于地球内部物质受到高温高压影响的事实，对地磁成因大胆进行推测，尝试用磁学的研究方法来揭示地磁场的成因。
根据地震波研究的相关理论，我们得出地球内部的结构和层次的相关结论。地球由地核、地幔和地壳三层构成。地球内部的温度和压力与地球内部深度成正比，随深度加大而逐渐增高，其内核温度在四千多度左右，压力约为360万个大气压。众所周知，物质处于不同的环境中，具有不同的物理状态，也就相应具有不同的物理性质。地球内部物质是高温、高压中物质，笔者认为，这些物质的物理状态和物理性质应该具有如下特征：高温使地核里物质的原子被电离，而高压形成的高密度物质迫使地核里被电离出具有足够动能的电子，并且使这些电子各自绕着相吸的异性粒子做圆周运动，从而形成环形电流，也就是磁分子。这种磁分子因压强而形成，其磁化居里点高于其温度，就会使地球热核具有铁磁性性质。因此笔者进一步推断，由于在地球热核里时刻存在着热传递，电子绕正离子运动时会因受到辐射压力的不平衡而受到力的作用(力的大小跟电子绕正离子运动所受到的周围辐射压力差成正比)，而使电子绕正离子运动的轴，总是要指向最冷最容易散发热量出去的方向，这样一来，就证明了地表存在地磁的表象机理。
我们知道，物质具有磁性的本质是：构成物质的分子(或基本单元)具有了磁矩，在一定的条件下形成了某种自组织或他组织结构，使分子磁矩的排列，具有了一定的规律，产生了宏观的磁场。那么，地球磁场的产生机理是自组织现象还是他组织结构?它是怎样产生的?笔者研究后认为，地球磁场的产生跟地球自身因素有关，也受外界因素的影响。已有的科学研究证实，地球的快速自转，使得它的形状发生了改变，变成了一个两极扁平、赤道部位较鼓的扁球体；地球表面获得太阳光照的热量由赤道向两极步步减少，因此造成赤道地区温度较高，而两极地区温度较低。所以，地球的自转和太阳对地球的光照不均都会影响到地球内部热量散发的路线。关于地球内部热量散发路线图与地球磁场的起源的关系，下面简略加以论证：
(1) 根据上文的推测，地球内部高温热核热量的散发，热核里的电子绕正离子运动的轴总是要指向最冷最容易散发热量出去的方向，而使地球内部热核里的电子绕正离子运动变得有规则的排列。
(2) 电子绕正离子运动规则排列轴的连线是一幅地球内部热量散发路线图，也是一幅磁体磁场示意图(如图)。示意图里每条连线上有少部分取向相反的磁分子经过热的扰动、磁化力和指向力的共同作用，使整条连线变得取向一致，地球南北两极显示出磁性，形成了现在的地磁场。基于笔者阐明的地球磁场的形成原因，对地球磁场起源的研究，笔者的心得主要有两点：一是要注意观察地球外部的环境条件及现象；--是要弄清地球内部的环境和物质的物理状态和性质。弄清楚地球自身的这些特征，地球磁场的产生机理就明晰了。
三、地球非偶极子磁场的形成
非偶极子磁场又称剩余磁场，也有人叫异常磁场。从地球磁场中减去偶极磁场，剩下的磁场称为非偶极子磁场。非偶极子磁场主要分布在亚洲东部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等几个地域，平均强度约占地磁场的10％。但是有关非偶极子磁场的成因，目前学术界争议不断。笔者认为非偶极子磁场的产生原因也可以根据上文地磁场形成的原理进行推理验证。地球内部高温热核热量的散发，热核里的电子绕正离子运动的轴总是要指向最冷最容易散发热量出去的方向，而使电子绕正离子运动变得有规则的排列。电子绕正离子运动规则排列轴的连线是一幅地球内部热量散发路线图，也是一幅磁体磁场示意图。在这幅磁体磁场示意图里也含有少部分与大部分取向相反的磁力线。现在科学研究证明：在磁体的外部，磁感线从N极出发，最后回到S极。这样就给部分N极出发的磁感线提供了一个便捷的通道，使人们在地球表面测量到的所谓东西向的非偶极子磁场。这种非偶极子磁场在地球上存在，其他天体上也存在。比如：太阳上既有南北两极正负相反的普遍磁场，又有东西对峙极性相反的整体磁场。
四、其他天体上的磁场
笔者认为，按照作者提出的地磁场形成原理，也可以用来解释其他天体的磁场产生机理。按这一原理就不难解释离太阳较远，接受到太阳辐射较少的天王星和海王星为什么有磁场了。这主要是因为它俩都有足够大的体积和质量，给内部提供了足够的温度和压力，加上它俩的自转较快，形状都呈明显的扁球体，所以会产生磁场。那么，金星的质量和体积，还有物理条件几乎与地球没有差别，内部也具有足够大的热核与压力为何没有磁场?其原因有二，一是金星的自转太慢(周期为243个地球日)，因而扁率很小，在太阳系八大行星中形状是最接近标准球形的；二是金星表面的云层如镜面，把大部分来自太阳的辐射都反射回了天空，所以金星表面获得太阳光照的热量是不多的，再加上金星的大气主要构成成分是二氧化碳和硫酸云，而二氧化碳和硫酸云都属于温室气体，对金星起到了保温的作用，再加上金星上层的大气流动的很快，风速为400公里／小时，这样快的风速只要四个地球日，就可以环绕金星一圈，能均匀地传递热量，造成金星表面上没有地区、季节、昼夜温差之130分。"1基于此，金星内部的热量散发路线是从中心点往四面八方散发出去的，它的内部热量散发路线图不像一幅磁体磁场示意图，所以金星没有磁场。那么，火星、水星、月亮和一般的卫星为何磁场微弱或没有磁场?这主要是因为它们体积小，质量少，内部没有足够的温度和压力，不能够形成磁分子，因而其磁场微弱或没有磁场。
综上可知，天体具有磁场，要满足两个条件。第一，要有足够大的体积和质量，也就是内部要有足够的温度和压力；第二，自转速度要足够的快，能使赤道直径比极直径长一些或长更多，或者表面要受到外界光照的影响，赤道地区的温度周期性变化的平均值，比两极地区的温度周期性变化的平均值高些或高更多。唯有如此，天体才会有磁场，这在太阳系各星球中适用，在银河系各星球中也适用。
除上述外，笔者提出的地磁成因新解还表明，天体的自转是天体磁场成因的一个重要因素，但自转的快慢与天体磁场值的大小没有实质上的联系，天体表面磁场两极磁场值的大小与天体的密度和质量有关。即天体表面磁场两极磁场值的大小，与天体的直径成反比(大气层不计)，与天体的质量成正比。无论是地球、太阳、木星、土星或宇宙中其他具有磁场的天体。都符合这一基本结论。根据这一结论，可以解释天体的磁场强度。例如，太阳、木星、土星的磁场要比我们居住的地球磁场强的多，这是由于太阳、木星、土星的质量比地球质量大的多，而脉冲星磁场非常强大的原因是脉冲星质量大，体积小的原因。
五、地磁成因新解说的科学性
以往人们对地球磁场的形成原因提出了多种假说，但那些假说都难以解释地磁场的时空变化现象，而本文笔者提出的地磁成因新解说，能很好地解释地磁场和其他天体磁场空间分布的不均匀性和随时间不断变化的诸多特性。
(一) 地磁场和其他天体磁场的变化原因
经过科学测定，地球磁场是在变化着的，磁极的位置与各处的磁场强度，都在随时间不停地在缓慢变化。笔者认为磁场变化的原因，也可以根据上文地磁场形成的推测理论分析。
地球内部高温热核热量的散发，热核里的电子绕正离子运动的轴，总是要指向最冷最容易散发热量出去的方向，而使电子绕正离子运动变得有规则的排列。电子绕正离子运动规则排列轴的连线，也就像磁力线里套着一环一环的线圈，能量高的电子绕正离子运动，磁通量发生变化时，也就是电子绕正离子运动传递能量时，被下一个绕正离子运动且能量较低的电子所吸收，所以地球内部不论南北磁极，磁场的磁力线，都可以看成是地球内部热量散发的主路线。经过一段时间的散发，地磁两极热核所对的地幔与地壳温度就会逐渐地高起来，由于热核里的电子绕正离子运动的轴，总是要指向最冷最容易散发热量出去的方向，而使地磁两极位置不断地移动。也就是说，地球表面的磁极位置不断地移动变化，是为了地球内部热核更好地散发热量。由此可知，地球磁场在不停地缓慢变化是地球内部一种热传递而导致的现象，地球内部磁场的磁力线不论南北磁极，都可以看成是地球内部热量散发的主路线。
从而，也就不难解释温度较低的太阳黑子区域，为何是日面上磁场最聚集的区域，磁场强度又为何会随时间不停地变化，正是由于太阳具有与地球相同的内源磁场，因此两者具有相同的一种热传递，内部磁场的磁力线，不论南北磁极都可以看成是太阳内部热量散发的主路线。所以当温度较低的太阳黑子刚生成时，黑子区域的磁场就会迅速聚集增强；随着黑子的温度升高瓦解时，磁场也就会逐步消失移到另外温度较低的地方去。事实上，太阳磁极位置不断地移动变化，11年倒转一次都是基于太阳内部能更好地散发热量。而太阳黑子、耀斑等活动是太阳内部这种热传递所表现出来的现象。同理，也可以解释天王星和海王星为什么会有多个磁极了。这是由于天王星和海王星的磁偏角都比较大，为了内部能更好地散发热量，天王星和海王星磁极位置必须不断地移动和变化。
(二) 天体磁偏角的产生
地球的磁场两极与地理两极的位置比较接近，但不会重合，而是有着一个较小的夹角，这一夹角大家称磁偏角。地球有磁偏角在天体中并不怪异，其他许多天体也有磁偏角。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。但是关于天体磁偏角的成因，目前学术界还没有一个准确合理的解释。而根据天文学的观测数据，人们发现，围绕太阳运行的各行星磁偏角的大小跟行星自转轴倾斜的角度大小基本上成正比关系。也就是自转倾角越大的行星，其磁偏角的度数就越大。l刊为什么会出现这样的现象呢?笔者认为这一自然现象并非巧合，主要是因为有些天体磁场的产生跟自身因素有关，也受到外界因素的影响。这个现象的实质是各行星的自转倾角的不同，使其受到太阳光照的地理位置不同而导致的。根据上文笔者提出的地磁场形成机制和变化原因可知，天体的磁偏角大小跟天体的扁率有关(大气层不计)，天体的扁率越大，它的磁偏角也就越小。也有些天体会受到外界光照的影响，如果赤道地区的温度周期性变化的平均值高，而两极地区的温度周期性变化的平均值低，那么赤道与两极地区的温度周期性变化的平均值高低相差越大，天体的磁偏角就越小。所以就会有上述现象。
如上所述，太阳是颗恒星，它没有受到外界光照的影响，自转一周需要27个地球日，因而扁率较小，所以它的磁偏角相当大，大到了可以发生磁极翻转。土星在太阳系行星中形状是最扁的，再加上受到太阳光照的影响，赤道地区的年平均温度值，明显高于两极地区的年平均温度值，所以它的磁偏角在太阳系行星中最小。天王星和海王星是冰巨星，外形比地球扁，由于距太阳较远，接收到的太阳辐射较少，因而赤道地区与两极地区没有多大的温差，所以二者的磁偏角比地球的磁偏角还要大。值得一提的是，一个星球如果它的磁偏角很大，大到了接近90度，其磁场极性就会出现周期性倒转。而天王星、海王星、地球的磁偏角由于都没有接近到90度，所以其磁场的南极和北极只能在地理南北极点一定的范围内移动，但绝不会倒转。
六、结语
因为地球内部的温度远远超过磁性物质的居里点，所以许多人对地球磁场成因的研究，往往忽略了物质具有磁性的本质，这就导致地球磁场成因的研究变得困难重重，所提出的各种假说都不能对地磁场各种现象做出科学合理的解释，使得地磁的成因到现在仍不明晰。本文笔者依据电磁现象的本质，基于磁学的研究方法，重新研究了地球磁场的产生机理和变化原因，推理出地球磁场是因为地球内部物质受到高温高压和地球的快速自转以及地球受到太阳光照的共同作用而产生的。这种磁场与人们观测到的地磁场的各种事实基本符合，能够合理地解释地磁场和其他天体磁场的各种现象，还能预测未来地磁场和其他天体磁场的变化趋势，因此是一种比较接近事实与合理的假说。但本文存在的问题是有些地方的观点与现在的主流观点有相悖之处，希望大家多提意见并指正，使本文的观点更加合理，更加接近事实。
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主办单位：中国科学院上海天文台,中国天文学会,国家自然科学基金委员会数理学部(协办)
出版地方：上海
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