地磁场成因及其倒转

地磁场成因及其倒转之迷（8）大气的电场引起地壳、地幔和地核带不同的电荷，由于地球的旋转运动它们都会产生磁场，不过大气、地壳、地幔和地外核所产生的磁场是非常微弱的，只有超高压下呈固态地内核的铁、镍合金由于磁畴的重新建立，使地内核恢复了常温下的高磁导率，从而大大地增强了地内核的磁感应强度。地磁场的倒转是大气电场与地核电场变化引起的，大气电场的变化是气候的变化引的。关键词：大气电场；地磁场；地磁场倒转；行星磁场；生命爆发；冰河时期1．引 言公元前几百年中国人就发现了地磁场的存在，它给旅行、行军、航海等带来了很大的帮助。自然人们对地磁场的成因进行了长期的探索，产生了许多解释地磁场成因的学说，目前一般公认的是“自激发电机”学说，“自激发电机”学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。虽然潮汐会使地壳与地幔自转变慢，地核放射性物质衰变产生的轻物质（主要为氦）上升也能使地壳与地幔自转变慢，叠加后的速度差，使地核比地幔和地壳三百年才多转一周［1］。但通过计算就会发现这个速度差根本不可能激发出现在的地磁场，因此用“自激发电机”去解释地磁场的形成是不符合实际的。2．1地磁场的成因大气电场是产生地磁场的初始条件，因此要先根据大气的场强算出地壳所带的电量。现在大气

的平均场强在130v／m左右［2］，若大气电场按E=100V/m计算，地球表面单位面积上所带的电荷应为：a=£E=—8.85X10-12X100~—lX10-9C/m2,0由此可推算整个地壳带的负电荷约为：Q=4nR202—5X105C。E因为地壳及地幔的导电性相对地核来说要差得多，因此受电场的排斥作用，负电荷应分布在上千公里厚的地壳及地幔内（实际测量也说明地壳场强很小），不可能集中在地表面，那么主要由铁、镍组成的良导体地内、外核就能感应出正电荷。假设地核所带的正电荷数量占地壳与地幔负电荷数量的50％，按体积计算地内核占总核2.5％（内核半径为1278km，外核半径为4378km，见图1）,则内核可分到的正电荷量为：Q=5x105x50%x2.5%=6.25x103C。

图1地球内部结图本图片来于网址：图1地球内部结图本图片来于网址：/earthmoon/earth.html地球的外核主要成分以铁、镍为主，但地核温度超过4000°C以上，已大大超过铁的居里温度770C。超高温破坏了铁、镍的晶格结构，同时破坏了磁畴结构，变为液态的铁、镍就变为顺磁性物质，磁导率已变得同大气磁导率相差无几，即便地外核带很多的正电荷，也很难产生强的磁场。地球的内核主要成分也以铁、镍为主，可以肯定内核温度比外核温度还要高，但是超高压下内核已变为固态，这说明地内核在超高压（压力可达300—360万个大气压）下有可能发生相变，恢复了合金的晶格结构，铁、镍合金应当重新建立起磁畴结构，地内核的铁、镍合金也就能重新恢复高磁导率。当然超高压下的铁、镍合金居里点已大大提高，不再是770C。常温下铁、镍合金的相对磁导率|J丫在1000至上万囚，因此地内核的铁、镍合金只要具有常温下差不多的磁导率，即使地内核所带的正电荷比地外核小很多，它所产生的地磁感应强度也很可观。地球的自转周期t=24x3600=8.64x104秒；前面已算出内核可分到的正电荷量为6.25x103（库）真空磁导率p0=1.257x1O-6牛/安2；如果假设地内核铁、镍的相对磁导率“丫=2000。根据公式B=p0》yI可粗略算出地心处的磁场：B=ppI=1.257x10-6x2000x6.25x103/8.64x104=1.818x10-3（T）。L0产Y实验测定两磁极地表面处的磁感应强度为：（6〜7）x10-5（T）；磁切道处为：（3〜4）x10-5（T）［肌因为缺少正确的实验依据，地磁场量也只能这样粗略估算，不过它能告诉我们地磁场是如何产生的。正确的计算需要测定5000C左右，300—360万个大气压下铁、镍合金磁导率才行。近代地磁场的减弱（地磁场从1830年至今已减弱了近10%）主要是人为原因造成的，人类的工业化，生产出越来越多的金属材料使用在建筑、轮船、武器、架空导线等工程设施上，而金属材料是良导体，它能将大气的正电荷大量引入地壳，使大气正电场降低，地核正电场变弱，地内核磁场

也就一起跟着减弱。不过用不着担心磁场会倒过来，因为地磁场倒转与后面所说的气温有关。地磁偏角主要是由大陆与海洋不均匀分布引起的，因为通常情况下海洋上空大气电场偏高，陆地上空大气电场偏低，相应引起地核电场与自转轴的不对称分布，地磁场也就有了磁偏角，地磁轴线也偏离地核心，向印度洋与太平洋方向靠近。地磁极的漂移，主要是由大陆与大洋的气温变化引起的，同工业化也有一定关系。因此地磁场的产生只要已变为固态的高磁导率地内核带上电场，加上地球的旋转运动就可以（见图2），不需要流动的电荷，流动的电荷还需要电源，在地球的内部是找不到这个电源的。2．2大气电场的成因那么上面所说的大气电场是如何形成的？宇宙射线（大部分来自于太阳，主要成份为质子和电子，大部分被地球高空的两个范艾伦辐射带吸收，还有一部分进入了地球的大气层）是产生大气电场的初始条件；大气的成分与气温是产生大气电场的第二个条件。干洁大气主要成分（容积百分比）为：N2（78.09%）、O2（20.94%）、其次为：Ar（0.93%）、CO2（0.032%）、H2O等［4］。其中水汽在大气中变化很大，一般在1%〜3%,在热带可达4%,而在两极则不到0.1%。水汽绝大部分集中在低层，有一半的水汽集中在2公里以下。大气中的N2、Ar分子与宇宙射线中的质子与电子都很难结合在一起，它们都呈电、磁惰性。O2分子两端有带磁性的空轨道，它能靠磁场力吸引电子形成O2-离子，只是磁场引力相对电场力要弱得多，所以O2-离子的稳定性比较低。H2O是极性分子，它没有空轨道，所以它不能接受电子，H2O分子的带负电一端能吸引质子形成H3O+离子，因为电场引力相对磁场引力要强得多，所以h30+离子的稳定性要比O2-离子高得多。O2分子虽然能吸引电子，但稳定性比较低，H2O分子能吸收宇宙线中的质子而带正电。现在地球处在温暖期，大气底层的水汽含量比较高，这就是现在大气电场为什么总是带正电的道理！2．3地磁场的倒转那古地磁场是如何倒转的？是古代大气电场变化引起的，古代大气电场是由气温变化引起的。

从表1可看出，气温变化会引起饱和大气水汽含量很大的变化。气温升高大气里水汽含量就增高，h3o+离子也跟着增加，o2-离子稳定性降低，含量也降低，大气正电荷超过负电荷，大气就带正电；气温下降，大气水汽含量就下降，h3o+也跟着下降，而O2-稳定性增强，O2-含量也就增高，大气负电荷超过正电荷，大气就带负电场。表1温度与湿饱和大气含水量的关系表温度C2018161412水汽mm温度C2018161412水汽mm5244363025温度C1086「42水汽mm2118151210温度C0-2-4-6-8水汽mm1875□本表来自于：http;///N/?cid=14&nid=527&fc=nd，张学文。因为古代气温经常发生冰期与温暖期的长期不规则变化，引起大气电场、地核电场也发生不规则变化，这就是古地磁场经常发生长期不规则倒转的原因。而古地磁场应当比现在强，因为远古地球自转比现在快。一般认为地磁场的变化会引起气候的变化，实际上是气温的变化引起大气电场的变化，大气电场的变化引起了地磁场的倒转。2．4古代全球气温的变化那么古代地球的气温变化是什么原因引起的？因为古代气温经常发生冰期与温暖期的长期不规则变化，引起大气电场、地核电场也发生不规则变化，这就是古地磁场经常发生长期不规则倒转的原因。而古地磁场应当比现在强，因为远古地球自转比现在快。一般认为地磁场的变化会引起气候的变化，实际上是气温的变化引起大气电场的变化，大气电场的变化引起了地磁场的倒转。2．4古代全球气温的变化那么古代地球的气温变化是什么原因引起的？图3地球冰川期电场分布与反相地磁场的模拟图超高压下的固态铁.謀已恢复了磁畴结构1、令\6一14田'。厂2.3亿年前的二叠纪是地壳运动较强烈的一个纪（地壳运动的能量主要来源于地球内部放射性物质的释放），当时全球性的火山爆发可能是天体的强力碰撞触发的。火山爆发喷发出大量的二氧化碳、二氧化硫及其它有毒气体，全球性的火山喷发还会引起大规模的植物燃烧，产生更多的二氧化碳及有毒气体，使全球的气温升高（当然全球性的火山喷发对气温的直接升高也有很大的贡献），空气变得湿润，大气就带正电，地磁场的极

性就同现在的相同（从图4可看出）。气温升高全球藻类等植物就能快速地生长，经过漫长的岁月，温室气体二氧化碳的含量就慢慢降低，气温就下降，同时加快了大气中同样具有温室效应水汽含量的降低，引起地球加快进入冰河时期，同时引起动、植物为了适应气候的变化而更新换代。在温暖期与冰期的过度时期，大气电场、地磁场会反复消失（二叠纪与三叠纪的过度时期特征与此相似），地球高空的二个范艾伦辐射带也跟着反复消失，大量的宇宙射线就能长驱直入进入大气层，因为大气的阻挡，带电离子进入地面前大部分都已结合成分子，这对剩下的动物与植物虽有影响但不是毁灭性的，相反适量宇宙射线的辐射作用引起生物基因突变，新的物种就会大量产生。而恐龙的产生是在不太长的时期受宇宙射线反复的幅射，引起基因多次突变的结果，加上当时有充足的食物。因此远古时代的生命爆发，主要发生在温暖期与冰期的反复过度时期。当然地区性的火山爆发、森林火灾，地球周期性的穿越银河旋臂，使天体碰撞几率增加，都会引起温室气体含量的变化，以及气温的直接变化。因此古代地球的气温变化不是完全有规则的，地磁场的倒转也就不是完全有规则的。不过可以肯定的是，远古时代如果地磁场与现在相反的话，十有八、九就处在寒冷的冰河时期。2．5其它行星上的磁场以上的说法对其它行星也是适用的。比方对于金星，由于金星大气温度很高，它的大气里就会有极性分子（探测斯威勒驾忻乩克腥社那尿第三纪多次突变的结果，加上当时有充足的食物。因此远古时代的生命爆发，主要发生在温暖期与冰期的反复过度时期。当然地区性的火山爆发、森林火灾，地球周期性的穿越银河旋臂，使天体碰撞几率增加，都会引起温室气体含量的变化，以及气温的直接变化。因此古代地球的气温变化不是完全有规则的，地磁场的倒转也就不是完全有规则的。不过可以肯定的是，远古时代如果地磁场与现在相反的话，十有八、九就处在寒冷的冰河时期。2．5其它行星上的磁场以上的说法对其它行星也是适用的。比方对于金星，由于金星大气温度很高，它的大气里就会有极性分子（探测斯威勒驾忻乩克腥社那尿第三纪中新lit新浙世始砥吐-C新世拉尚奧那咸留尼眾=!_==言==■===■上新世黒色区域曲与现代同极性磁场，白色区域対与现代反极性厳场本閣片来自于；中国百科网古地逾学ht切Ly//article/316/32772007/2007022260441_3.html到的是so2,H2O分子），大气就会带正电，金星地壳就会带负电场，地核就会感应出正电，但金星的磁场为什么几乎为零？这是因为金星的自转一周比它的公转周期还长，为地球的243天，自转周期需要这么长的时间，金星内核就算有磁导率很高的磁介质，带上很多的电荷，也很难产生比较明显的磁场。而火星正好相反自转周期与地球差不多，而大气几乎没有，它的大气电场自然就非常弱，因此火星的磁场也是非常弱的。再看木星，木星的表面气温很低，带极性的H2O、nh3等分子都变成了固体，大气里主要为H2、He、N2、O2等无极性的分子，虽然H2与O2为结合为H2O,但O2比H2密度大得多，所以在木星底层大气还是存在一定量的O2,因此木星的大气肯定是带负电场的。木星的底层大气带负电场，地壳就带正电场，内核就带负电场；巨大躯体的核内压力大大超过地核，木星固态内核的高磁导率铁、镍合金体积也应该超过地核；木星自转周期只有9小时50分钟，与地球的自转方向相同。这就是为什么木星的磁场比地球的磁场几乎大十倍！而磁场极性却相反的原因！3．结论与可能的检验方法因此地球磁场是由大气电场，引起地壳、地幔带不同的电场，与地核带相同的电场，加上地球的自转产生的，当然主要还是超高压下的固态内核铁、镍合金恢复了磁畴结构，大大加强了地核磁感应强度。古地磁场的倒转是由大气电场的变化引起的，大气电场的变化是由大气成份变化引起的，大气成份的变化是由气温变化引起的。而古代气温变化是由天体碰撞、火山爆发、森林火灾、植物生长、冰川形成等不规则原因引起的。地磁场成因检验，只要测定5000r左右，300—360万个大气压下铁、镍合金的磁导率，就可以初步确定地磁的成因。当然在这么高的温度下，达到如此之高的压力，难度之大是可想而