地球磁场发生和反转的机理（郭晓强）

伤我心太深

自从人类发现地球磁场以来已经有3000年了。
       远在古代中国的春秋战国时代，中国人已经利用天然磁石可以指明南北方向的原理，造出了“司南”,即最古老的指南针，并由阿拉伯人传入欧洲。

       指南针的应用使得人类在航海技术方面，取得了巨大的成功。哥伦布和麦哲伦的环球航行，最终证明了地球是球体。
现代科学技术在探索地球磁场方面，已经取得了丰富的成果，并且通过对外太空的探索，发现了在太阳系的9大行星中，除金星，火星，水星之外，其他行星都有自己的磁场。太阳也有巨大的磁场。
但是，关于地球磁场究竟是怎样产生的这个问题，至今没有令人信服，公认的理论。
大体看来，关于地球磁场形成的假说基本上可以概括为以下四种：1.铁镍核心说（巨大磁铁）。2.地球内部电流说（“发电机效应”）。3。地球大气电离说（电磁转换）。4，温差效应说（热，电，磁效应）。在讨论地球磁场产生机理之前，让我们先来了解“磁”现象的本质：
       “丹麦科学家奥斯特于1820年发现电流的磁效应，第一次揭示了磁与电存在着联系，从而把电学和磁学联系起来。为了解释永磁和磁化现象，安培提出了分子电流假说。安培认为，任何物质的分子中都存在着环形电流，称为分子龟流，而分子电流相当一个基元磁体。当物质在宏观上不存在磁性时，这些分子电流做的取向是无规则的，它们对外界所产生的磁效应互相抵消，故使整个物体不显磁性。在外磁场作用下，等效于基元磁体的各个分子电流将倾向于沿外磁场方向取向，而使物体显示磁性。安培的假说还说明了磁体的N、S两种磁极不能单独存在的原因，因为基元磁体的两个极对应于环形电流所在平面的两个侧面，显然这两个侧面是不能单独存在的。近代物理表明：原子核外电子除绕核运动外，电子自身还有自旋。分子、原子等微观粒子内这些电子的运动均构成等效的分子电流。按照近代的观点，电荷在（不论其运动与否）其周围激发电场。而运动电荷（电流）在其周围激发磁场。与电场是一种特殊的物质一样，磁场也是一种特殊物质，在磁场中的运动电荷（电流）受到该磁场给予的作用力（磁场力）。电流I1和I2之间的相互作用，是I1的磁场给其场中的电流I2以作用；反过来I2的磁场又给其场中电流I2以作用。电流之间的相互作用是通过磁场来传递的。永磁体之间的磁现象，来源于永磁体中分子电流所激发的磁场和磁场给永磁体内分子电流的作用力。”①
        这应该是迄今为止最权威的关于磁本质的科学假说。它说明电场和磁场应该是孪生现象而不是可以单独存在的物质形态。
        如果我们把磁场问题仅限表面现象,那么上面的四种关于地球磁场假说似乎都有道理。但是，迄今为止，没有一种假说可以全面解释地球磁场呈现的复杂，并且处在不断变化中的现象。
关于地球磁场是处在不断的变化中的事实，已经为现代科学界所公认。人们在长期的观察实践中，发现了地球磁场的许多秘密。如地球的地理两极和南北磁极存在11.5度的夹角；地球的磁场曾经是南北颠倒的；地球磁场强度分布并不均匀；近200年以来，地球磁场正在减弱；太阳活动会引起‘磁爆“等等。
但是，人们对这些现象后面的原因，却众说纷纭。在不同的解释后面，其实涉及到一个根本的问题：地球磁场产生的机理究竟是什么？
        最早的理论认为，地球内部存在一个铁质内核，地球就像一块巨大的天然磁铁。这个理论很快就被现代科学技术知识否定：什么样的磁铁可以在几千度的高温下保持磁性呢？物理学常识可以告诉你，世界上不可能存在这样的磁性物质。（居里点是摄氏770度，而地心的温度远高于此。）
后来又出现了一种假说，它提出在地幔下面，存在着一层导电的液态金属，由于它在地核和地壳之间的相对运动产生了电流，由电磁转换产生磁场。这种假说既不能解释这种液态金属的流动原因和机理，又无法说明地球磁场的减弱和反转现象，所以也难以成立。
        第三种假说认为，地球的内核是由铁镍组成的，内核的转动与地球的转动不同步,具有很强导电能力的内核也成为一台等离子发电机,由此而产生的电流产生了地球的磁场。但地球内核的转动与地球的转动是否不同步，并没有可靠的科学依据来证明，同时它也不能解释“地磁倾极”现象。所以可以断定这种地球磁场起源的假设因为不能成立。
此外，还有所谓的“发电机效应”在地球大气的电离层中发生的假说。它不能成立的理由和上面的假说类似。
以上这些假说，除了不能合理地解释地球磁场的产生原因之外，更不能解释地球磁场的反向和变化，以及地球磁场与太阳活动的联系。所以它们都是不能成立的。
        如果我们仅仅把探索的目光局限于地球，也许不是解决地球磁场发生机理的最佳途径。
        根据人类对外太空探索的成果，对我们找到正确的答案有极大的帮助。现代天文学知识告诉我们，太阳系在宇宙空间中是一个相对独立的系统。太阳和它的8大行星，小行星带，不时而至的彗星组成了一个小宇宙，而太阳是这个宇宙的中心。太阳不停地向空间发射着电磁波和高能射线。并且现在已经证明太阳也有着强大的磁场。在8大行星中，火星，水星和金星的磁场很微弱，其他大部分行星都有可以探测到的磁场。
从逻辑上分析，太阳系的行星磁场应该有相同或者近似的发生机理。这就为我们揭开磁场产生之迷指明了一个正确的方向。
       磁和电之间可以相互转换，电场和磁场在广袤的宇宙空间中是如影相随的。
作者提出这样的假说：太阳以高能射线和电磁波的形式向整个黄道平面发射着电磁力线，而行星的磁场则是太阳电磁能量与行星外层导体相互作用的产物。
       下面，我们将以太阳系的8大行星的实际观察资料来逐一验证这个假说的符合程度。
首先让我们从水星----这个离太阳最近的行星开始。
天文学资料告诉我们，水星有一个和地球类似巨大的铁镍内核，但是它基本没有自己的磁场。它的密度比地球略小。为5.44克/每立方厘米。它表面没有水。昼夜温差很大。白昼是673度，黑夜是零下160度。
金星------理论推算它也有个铁镍内核，但是基本不存在自己的磁场。它的表面温度很高（465度—485度）不存在液态水。但是有浓密的大气。和地球一样，它的大气中也存在电离层。它的大气的主要成分是二氧化碳，有少量的一氧化碳，氩气，水蒸气和一氧化氮.
       火星------密度3.933 /立方厘米。 基本没有自己的磁场。表面没有液体水.根据理论推算它没有铁质的内核。存在基本由二氧化碳组成很稀薄的大气。
       木星------密度1.33克/立方厘米。 存在一个铁质内核外面包着一层厚达46000公里的金属氢层。它有一个比地球更强大的磁场，但是方向相反。它的磁极和自转轴之间也有一个夹角（10.8度）
土星---密度0.7克 /立方厘米。 存在一个岩石内核。核外面包着一层厚达5000公里的冰壳，再外面是厚8000公里的金属氢层。存在自己磁场（卡西尼号正在探测中）。
        天王星----密度1.24克 /立方厘米。 现在人们还不知道它的内部结构。它存在自己多极的，怪异的，磁偏角为47度的磁场。
          海王星----密度1.64克 /立方厘米。 可能存在石质或者冰质的内核。它也存在和天王星类似的怪异磁场，磁偏角为59度。
       上面是太阳系8大行星的基本数据。从这些数据看，我们对它们的了解还是很初步的。
归纳起来看，在4个类地行星中，除了地球外，水星，金星，火星都基本没有磁场。在类木行星中，都存在自己的磁场。
        这是偶然的还是必然的呢？
       为了回答这些问题，我们只能从每个行星现在已经掌握的资料着手去逐一分析。
在4个类地行星中为什么只有地球存在自己的磁场呢，是因为它具有一个铁质的内核吗？显然不是。因为水星 金星，同样存在铁质的内核。并且我们前面已经证明，行星磁场不可能是由铁质内核产生的。那么，是因为只有地球内部才能够存在“压电效应”或者“发电机效应”吗？显然这个理由也是牵强的——水星，金星的内部构造也和地球是类似的。最后，是因为地球大气层的电离层构造吗？看来也很难把行星磁场的存在和电离层联系起来。金星有和地球类似的电离层，但是它却没有自己的磁场。水星和火星也有大气，但是它们同样基本没有自己的磁场。水星，金星和火星上面没有液态水，更不存在海洋。（但是根据美国的“火星环球勘探者号”最新的报告和其他火星地貌照片分析，火星在遥远的过去时代，应该是存在海洋和磁场的。这是个重大的，了不起的发现.
       “火星环球勘探者号”不但发现了火星岩石的剩余磁痕迹，同时还发现它们外壳的岩石和地球岩石一样，曾经有过南北磁场颠倒的现象。这就证明，在过去遥远的时代中，火星曾经和地球具有类似的环境条件。其中当然也包括具有和地球类似的磁场。）
       让我们继续下面分析类木行星的情况。
       天文学资料告诉我们，木星具有强大的磁场，并且这个磁场的方向是和地球磁场的方向是相反的。类木行星没有铁镍质的内核，也不存在和地球一样的电离层。木星的外壳中存在一个厚厚的金属氢层，而金属氢是很好的导体。土星的情况和木星类似。天王星和海王星的内部结构我们现在还不清楚。但是从它们也存在自己磁场的现象可以推知，它们也可能存在一层导电外壳。至于为什么它们具有一个怪异的多极磁场的问题，还需要做进一步的研究和分析。
那么，究竟是什么原因使得行星拥有或者没有自己的磁场呢？
        我们如果仔细分析就可以发现：凡是存在自己磁场的行星有个共同点-----能够导电的外壳。海水是比较良好的导体，地球的导电外壳正是那广袤无垠的蓝色的海洋。②
从我们已经考察过的太阳系8大行星的基本情况看，得出的初步结论是这样的：行星磁场的发生机理应该是相同或者近似的。为此我们用排除法逐一考察了除冥王星之外的8个行星，发现存在自己磁场的有地球，木星。土星，天王星和海王星。并从中归纳出了它们共同的特征：存在一个性能良好的导体外壳层。在地球上面这个导体是海洋；在类木行星上面，这个导体就是金属氢层。
       正是由于这个导电层的存在，使得行星围绕太阳公转时，切割太阳电磁场并在行星导电外壳中产生了感应电流，从而形成了行星自己的磁场。因为地球和类木行星的自转轴和黄道平面都存在一定的倾角及导体内部结构的差异，所以它们的磁场两极都存在磁偏角而不是和地理两极重合。由于行星的自转轴存在缓慢的沿经线方向的旋转，所以经过若干万年后，行星自己的磁场就会发生减弱和南北颠倒现象。火星和地球的例子就证明这个判断的真实性。
        让我们再来考察火星。从现在已经探测到的资料看，它在很久以前曾经是存在过海洋的，也曾经有过自己的磁场。并且和地球一样，对火星的岩石的磁力探测证明，它的磁场也曾发生发生过颠倒。
        现在的火星表面是没有液态水的（火星表面温度太低负27---负160度。）至于是什么原因使火星变得如此寒冷呢？作者认为是由于它的公转轨道外移造成的。火星原来是在地球现在的轨道上围绕太阳运行，后来因为太阳引力的变化，逐渐移到了它现在的位置。由于火星的海洋现在已经被冻结成为巨大的冰体，失去了导电性能。故火星磁场也随之消失了。
       下面我们继续用这个假说来解释地球磁场的诸多特征。
       1.为什么地球磁场的两极和地理两极存在一个夹角？现在知道，1975年地球的N磁极位于南纬66.5度/东经140.3度（这个位置在澳大利亚以南的南极圈附近）；S磁极位于北纬75.5度/西经101.0度（这个位置在加拿大的维多利亚岛附近）。这就是所谓的“地磁倾极”，是以实际观测的数据决定的。这两个地点不在地球同一直径的两端，大约偏离2500千米。另外还有通过理论计算得到的“偶极子磁极”。它们的经纬度是：N极------南纬79.0度/东经110.，S极------北纬79.0/西经70.0度。和地球自转轴的夹角是11.0度。（注意：这个偶极子磁极是人们假设的）③
现在科学界对“地磁倾极”和“偶极子磁极”不重合现象的解释是，因为地球上面还存在着非偶极子磁场。
但是，是什么原因形成了地球的非偶极子磁场呢？现在还没有令人信服的解释。
为了形象地阐明作者的观点,下面请看地球两极的卫星照片
地球南北极卫星照片
       从地球南北两极的卫星照片中我们可以清楚地看到，地球的南北半球海洋和陆地的分布是不同的。北半球陆地面积是南半球陆地面积的2倍多。
        按照作者的假说，地球磁场是由于地球围绕太阳公转，切割太阳电磁场并在海洋中引起感应电流而产生的。在南半球，感应电流能够通过南太平洋，大西洋，印度洋顺畅地围绕南极大陆循环流动；而在北半球感应电流只能在北冰洋狭窄的范围内，以及通过从大西洋－巴拿马运河－太平洋－－红海－苏伊士运河－地中海大西洋完成自己的循环。由这样不同电流通道形成的地球南北磁极，肯定不可能和地球的“偶极子磁场”吻合；更不可能和地理南北极重合。
“地磁倾极”和地球自转轴之间的差异，应该是地球赤道平面和黄道平面的倾角，以及地球南北半球的陆海分布差异共同作用形成的现象。
          地球磁场的减弱和翻转也可以用这样的假说来证明。地球的公转从北极看，是逆时针方向，产生的感应电流是顺时针方向．因此地球磁场是上S下N；当地球的南极旋转到现在的北极位置时，感应电流产生的磁场方向仍然是上S下N，所以地球岩石中间保存的南北磁场反转记录就是顺理成章的了。地球磁场消失现象也可以解释：当地球“横”着转的情况下，一个半球在半年时间内是处于冰冻状态，加上大陆的阻隔，无法形成感应电流回路，自然也就没有统一的磁场了。
　　关于地球存在非偶极子磁场的现象，完全可以用地球海陆分布的的非对称性和不同方向的洋流现象来解释。大家知道，当海洋感应电流通道被大陆阻隔，它必然会寻找其他可能的通道完成自己的循环，在地球的北半球情况正是这样。由于中美洲地峡和亚非大陆的阻隔，北半球的海洋感应电流不能像南半球规则有序流动，在巴拿马地峡，白令海峡，红海－－地中海附近形成局部的环形电流或者紊流是必然的。这就是非偶极子磁场产生的原因。
关于“磁爆”现象，用感应电流假说来看，就更是顺理成章的。当太阳出现异常活动时，必然引起它向四周辐射电磁场强度大大增加，派生的地球磁场必然受到影响而发生强度异常现象。
       太阳的质量占整个太阳系质量的99.8%，太阳为整个太阳系提供着光，热，高能射线等强大的能量。因此，太阳系内行星必然受太阳活动的巨大影响。而以往人们对地球的很多自然现象的研究，常常是把地球看成是一个孤立天体，只注意到在地球的物理，化学范围内去寻找自然之迷的答案。缺乏从整个太阳系这个大尺度看问题的自觉性。这就是迄今为止，关于地球磁场产生机理研究处于迷茫状态的根本原因。
        这里作者还准备从上述关于地球磁场产生机理的角度出发，对举世闻名的百幕大“魔鬼三角”现象作一探索。
        所谓百慕大三角，是指北起百慕大群岛，西到美国佛罗里达州的迈阿密，南至波多黎各的一个三角形海域。从1945年开始，数以百计的飞机和船只都在这里神秘地失踪。现在，百慕大三角已经成为那些神秘的、不可理解的各种失踪事件的代名词。
       百慕大三角之谜自出现以来就众说纷纭，一些百慕大三角的旅行者们每次惊险回归后就报道了他们的古怪经历：他们乘坐的船或者飞机会被一种奇怪的蒸汽所吞没，尔后所有的仪器都失灵、紊乱了，莫名其妙的雾会在整个海面上升起，而当时的自然天气都不可能产生雾，人们直到今天也没有找到令人信服的理由来解释这些电磁失常情况。于是各种猜测众说纷纭，其中最流行的就是“外星人”劫持。如同关于飞碟传说一样，外星人在百慕大三角劫持船只和飞机的说法，也仅仅是人类对神秘事物的幻想，缺乏科学证据的支持。
        美国海军曾经作过人工超强磁场试验，把一艘军舰置于超强人工磁场中，结果是惊人的：整个军舰完全笼罩在一团绿色烟雾中，一切都在瞬间消失了！
如果我们同意这些奇怪现象都是因为那个地区的磁场异常所引起的，那么为什么这里的电磁场会经常异常呢？在回答这个问题前，先让我们来分析一下该地区的海洋地理特征：
       百幕大三角区范围图
从这张百幕大三角地区范围地图上面，我们可以清楚地看到。该地区处在中美洲地峡以北并且横跨北回归线。附近有众多群岛和海峡：列斯群岛之间的佛罗里达海峡和向风海峡，莫纳海峡，以及由小安的列斯群岛之间的阿内加达海峡，瓜德罗普海峡，圣文森特海峡。
        在巴拿马运河开凿通航之前，大西洋和太平洋是分隔开的。在地球北半球绕太阳公转形成的强大海洋电流不可能在这个地区形成通道而只能从北面绕过美洲大陆。
由于这样的地理阻隔，海洋感应电流完全可能在这个地区的海洋中形成环形电流．从而产生非偶极子磁场。但是，这样的情形在巴拿马运河通航以后就发生了改变。
１９１４年８月１５日正式通航的巴拿马运河使太平洋和大西洋之间的航程缩短１．６万公里。同时这条运河也为地球强大的海洋电流提供了新的便捷通道。由于百幕大地区特殊的地形条件，海洋电流密度很大，自然造成这个地区强烈的磁场异常。
也就是说，百幕大曾经是地球磁场的一个非偶极子磁极。在巴拿马运河开通以后，这里又变成了一个地球磁场强大异常区域．支持我们这个假说的一个有力证据是：绝大多数关于百幕大“魔鬼三角”的恐怖传闻都发生在1914以后(巴拿马运河开通以后)。虽然在哥伦布达到美洲的航海日记中也提到磁针失灵现象，但是其恐怖程度显然不能和1914年以来的飞机，轮船失事的情况相比较。
作者的观点是这样：在巴拿马运河开通之前，百幕大地区由于特殊的海洋地理位置：附近存在一股强大的墨西哥湾暖流，已经存在一个非偶极子磁场，但是强度并不是很大，最多算是地球磁场的一处“涡旋”。在巴拿马运河连通了大西洋和太平洋水体以后，这个地球磁场“涡旋”终于发展成为地球的一个强大的磁场异常区域，导致了自1914年以来大量神秘飞机，轮船的失踪事迹件频繁发生。
其实要验证这个假说是能够办到的。可以在百幕大地区不同地点安放固定的磁力计，通过分析二者之间真实的客观联系数值也许能够最终解开“魔鬼三角”之迷。
日本东面的“龙三角”是除百幕大三角之外的另一个海难，空难高发区域。此外在红海和地中海局部区域也存在和百幕大海域类似现象。作者认为，这些海域的异常现象也是由于大密度的海洋感应电流形成的强烈地球磁场变化的结果。
关于地球磁场的发生机理,迄今为止出现的都只能是科学假说.
本人并不认为自己提出的这个假说已经达到完善的程度,但这个新假说肯定是全新的,比较系统地解释了地球磁场的特征.