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火星磁场消失之谜
本文作者:摇滚驴
（文/Lisa Grossman）很久很久以前，火星曾像地球一样拥有磁场。而40亿年以前，火星磁场却神秘消失，把这个星球孕育生命的机会也一并带走了。如今科学家们对这场失踪事件提出了新的解释。
小行星撞击这颗红色行星的模型表明，没有一种单一的陨石撞击能够使提供磁场的“发电机”短路，但20颗小行星不断的撞击却能产生这种效果。
“每一颗小行星都会破坏一些。”多伦多大学地球物理学家、新研究的作者Jafar Arkani-Hamed说，“我们相信有足够多的小行星，一点一点地破坏，直到所有的‘发电机’永久停止工作。”
像地球、火星、水星这样的岩石行星同月球一样都是通过它们地核内熔融铁的运动获取磁场。熔化的铁蒸汽升起，在地核内冷却、下沉，产生电流。行星的旋转使电流产生磁场，称作发电机系统。
磁场能够保护行星不受太阳风带来的致命影响。一些研究表明，地球磁场保护了早期的生物形式，使它们不受太阳强辐射的影响，因此，更复杂的生命形式得以发展。但是火星表面的磁场痕迹说明这颗红色的星球在40亿年前就失去了磁场的庇护，大气受到太阳风的猛烈侵袭。
先前的研究显示由地幔变热产生的巨大影响导致火星的“发电机”停止运转，中断了地核和地幔的热流，破坏了转换，火星新晋的陨石坑表面无磁化也支持了这一观点。以前由约翰o霍普金斯大学的地球物理学家James Roberts仿真计算模型显示，火星上最大型的撞击可以使地幔变成高温层，导致“发电机”停滞。
地球物理杂志上Arkani-Hamed的新研究显示仅仅一次的撞击是不够的。“发电机”在不到一亿年的时间内可以恢复，“磁场还会重新出现。”他说。
为了完成他的研究，Arkani-Hamed建立了一些地球物理学家认为的、太阳系历史上最大的一次撞击事件，45亿年前同Texas一样尺寸的小行星撞击火星产生热量的模型。此次撞击被称作Borealis撞击，它可能荡平了整个火星的北半球。
这次巨大的撞击终止了星球内的热循环，使“发电机”在20000年的时间内无法运转。没有地幔从地核吸收热量的冷敷效果，就不可能发生转换。
但是，转换仍可以在地核的外部恢复，最终深入并重新激活整个地核循环。Borealis撞击可能破坏了发电机，但并没有使它直接报废。
“如果45亿年前存在发电机，它可能停止、消失并在1亿年后重新生成。”他说。
但是一些接连不断的撞击则可能永久破坏磁场。这颗行星的陨石坑记录显示在42到39亿年前，火星在很短的时间内承受了20次撞击。三月份即将发表在Texas Woodlands月球与行星科学大会上的研究，Arkani-Hamed与Roberts将联手表明仅仅是这些撞击中最大的五次导致了磁场的消失。撞击太过频繁，导致在下次撞击到来之前“发电机”来不及恢复。
“此项研究非常重要，因为它表明了这种情况可能是合理的，确实有发生。” 康奈尔大学的Wesley Watters 如是说，“但想要对比测试这个模型则非常困难。”
为了找出火星何时、如何失去磁场的，我们需要知道大量火星岩石的年龄，而且要像我们所知的地球岩石年龄一样精确。
“我们没有那些火星的数据。”他说。
博主介绍：
Lisa Grossman 2009年毕业于加州大学Santa Cruz分校，科技交流专业。毕业后，她一直从事科技写作工作，从硕士期间便在Science News等地方做编辑，现在在Wired上开博。她的博客内容涉及面相当广，涵盖各个学科。
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南大西洋磁极已开始反转，生态百年内或将遭受巨大打击
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作者:俊采星驰
导读： 火星与地球一样都是类地行星，但众所周知，火星上只有红色沙土白色的旋风，毫无生气可言。而作为“姐妹星”的地球确是一片生机盎然。而且，根据考察，火星曾经像地球一样拥有海洋，但最终都消失了。根据考察，这都是火星磁场消失惹的祸。
因为火星磁场消失，残留磁场无法抵御太阳风暴的侵袭，像氢氧这样较轻的…
火星与地球一样都是类地行星，但众所周知，火星上只有红色沙土白色的旋风，毫无生气可言。而作为“姐妹星”的地球确是一片生机盎然。而且，根据考察，火星曾经像地球一样拥有海洋，但最终都消失了。根据考察，这都是火星磁场消失惹的祸。因为火星磁场消失，残留磁场无法抵御太阳风暴的侵袭，像氢氧这样较轻的元素会被太阳风吹走，而组成水的正是氢氧元素。因此，几亿年间，火星的水就全都“蒸发”到太空去了。而地球呢，地球由于拥有强大的磁场，足以偏转迄今为止最强烈的太阳风暴，因此保存了水资源进化出了生命。但现在，保护我们的地球磁场却面临着一次大换血——磁极反转，这会导致地球磁场严重衰退以至于无法有效保护大气以免被高能粒子流剥夺。究竟是什么事造成如此严重的后果呢？根据美国大气与海洋局的消息，过去两百年里，地球磁场已经被削弱了15%，造成这一切的罪魁祸首就是磁极反转。磁极反转顾名思义就是南极和北极倒转。地球并不是一块永磁磁铁，而是由地核内部的液态金属对撞产生的电流导致的电磁效应产生的磁场。由于地核自转速度与外部自转速度的差异，每过一段时间，地球磁极都会偏转一次，几十亿年以来，这种现象出现了好多次。不过，我们需要关注的并不是磁极翻转会对地球造成什么，而是需要注意磁极反转会对地球生态造成什么影响，会对我们人类造成什么影响。除了火星，科学家在太阳系以外的恒星系中又找到了一颗被它的太阳的太阳风所摧毁的系外行星，这颗行星被命名为kepler-438b。本来根据观测，这颗行星有望出现生命，但最新的数据表示，它的大气已被太阳风摧毁，几乎和生命说白白了。kepler-438b当地球磁极反转的时候，磁场会逐渐降低，这个最低点并不稳定，一旦降到了所能阻挡太阳风的最低强度，太阳风暴将会长驱直入。太阳风中的高能粒子将会电离高层大气，诸如臭氧，一旦高层大气被剥离，外部的宇宙高能射线将会长驱直入，这些射线可比紫外线强多了，届时，人类的癌症率怕是会更上一层楼。而且高能粒子流还会摧毁人类的输电系统，严重影响现代文明的运作。在地球轨道上曾经就有两枚美国卫星因遭受太阳风暴而丧失功能，最终只能够坠落。如果再低一点，后果恐怕更不堪设想。地球虽然不会有什么大碍，但对于地球生物来讲这已是致命的。现在，科学家还在追踪磁极翻转究竟带来了什么影响，但我们能做的，只有默默祈祷。Access denied |
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地球磁场言是偶极型的，近似于把一个磁铁棒放到地球中心，使它的大体上对着而产生的磁场形状，但并不与地理上的南北极重合，存在磁偏角。当然，地球中心并没有磁铁棒，而是通过在导电液体核中流动的发电机效应产生磁场的。
　　地球磁场 The Earth magnetic field不是孤立的，它受到外界扰动的影响，就已经探测到风的存在。太阳风是从太阳层向行星际空间抛射出的高温高速低密度的，主要成分是电离氢和电
　　因为是一种体，所以它也有磁场，太阳风磁场对地球磁场施加作用，好像要把地球磁场从地球上吹走似的。尽管这样，地球磁场仍有效地阻止了太阳风长驱直入。在地球磁场的反抗下，太阳风绕过地球磁场，继续向前运动，于是形成了一个被太阳风包围的、状的地球磁场区域，这就是。
　　位于距大气层顶600～1000公里高处，磁层的外边界叫磁层顶，离地面5～7万公里。在太阳风的压缩下，地球磁力线向背着太阳一面的空间延伸得很远，形成一条长长的尾巴，称为磁尾。在附近，有一个特殊的界面，在界面两边，磁力线突然改变方向，此界面称为中性片。中性片上的微乎其微，厚度大约有1000公里。中性片将部分成两部分：北面的磁力线向着地球，南面的离开地球。
1967年发现，在中性片两侧约10个半径的范围里，充满了密度较大的等离子体，这一区域称作等离子体片。当剧烈时，等离子片中的增多，并且快速地沿磁力线向地球极区沉降，于是便出现了千姿百态、绚丽多彩的。由于太阳风以高速接近地球磁场的边缘，便形成了一个无碰撞的的波阵面。波阵面与磁层顶之间的过渡区叫做磁鞘，厚度为3～4个地球半径。
　　地球磁层是一个颇为复杂的问题，其中的物理机制有待于深入研究。磁层这一概念近来已从地球扩展到其他。甚至有人认为和核也具有磁层特征。
　　通常物质所带的正电和负电是相等数量的，但由于地球核心物质受到的压力较大，温度也较高，约6000
°C，内部有大量的铁磁质元素，物质变成带电量不等的离子体，即中的电子克服原子核的，变成自由电子，加上由于中物质受着巨大的压力作用，自由电子趋于朝压力较低的，使地核处于带正电状态，地幔附近处于带负电状态，情况就象是一个巨大的“原子”。
　　科学家相信，由于地核的体积极大，温度和压力又相对较高，使地层的导电率极高，使得就如同存在于没有电阻的线圈中，可以永不消失地在其中流动，这使地球形成了一个磁场强度较稳定的南北。另外，电子的分布位置并不是固定不变的，并会因许多的因素影响下会发生变化，再加上太阳和月亮 的引力作用，地核的自转与地壳和地幔并不同步，这会产生一强大的交变电磁场，地球磁场的南北磁极因而发生一种低速运动，造成地球的南北磁极翻转。
阳和亦具有很强的，其中木星的磁场强度是地球磁场的20至40倍。太阳和木星上的元素主要是氢和少量的氦、氧等这类较轻的元素，与地球不同，其内部并没有大量的铁磁质元素，那么，太阳和 木星的磁场为何比地球还强呢？木星内部的温度约为30000°C左右，压力也比地球内部高的多，的 压力、温度还要更高。这使太阳和木星内部产生更加广阔的，再加上木星的自转速度较快，其自 转一周的时间约10小时，故此其磁场强度自然也要比地球高的多。事实上，如果天体的内部温度够高，则天体的磁场强度与其内部是否含有铁、钴、镍等铁磁质元素无关。由于太阳、木星内部的压力、温度远高于地球，因此，太阳、木星上的磁场要比地球磁场强的多。而火星、的磁 场比地球磁场弱，则说明火星、水星内部的压力、温度远低于地球。
　　关于地球磁场的形成原因，一种关于地球磁场成因的假说认为：地球磁场的形成原因和其它行星的磁场的形成原因是类似的，地球或其它行星由于某种原因而带上了电荷或者导致各个圈层间电荷分布不均匀。这些电荷由于随行星的自转而做圆周运动，由于运动的电荷就是电流，电流必然产生磁场。这个产生的磁场就是行星的磁场，地球的磁场也是类似的原因产生的。这个假说和各个的有无和强弱现象符合的。
(°N,110.8°W
(2004 估计) 82.3°N,113.4°W
(2005 估计） 82.7°N,114.4°W
(°S,138.5°E
(2004 估计） 63.5°S,138.0°E
　　历史上，第一个提出地磁场理论概念的是英国人。他在1600年提出一种论点，认为地球自身就是一个巨
大的磁体，它的和地理两极相重合。这一理论确立了地磁场与地球的关系，指出地磁场的起因不应该在地球之外，而应在地球内部。
　　1893年，数学家在他的著作《地磁力的绝对强度》中，从地磁成因于地球内部这一假设出发，创立了描绘地磁场的数学方法，从而使地磁场的测量和起源研究都可以用数学理论来表示。但这仅仅是一种形式上的理论，并没有从本质上阐明地磁场的起源。
　　现在科学家们已基本掌握了地磁场的分布与变化规律，但是，对于地磁场的起源问题，学术界却一直没有找到一个令人满意的答案。
　　目前，关于地磁场起源的假说归纳起来可分为两大类，第一类假说是以现有的理论为依据；第二类假说则独辟蹊径，认为对于地球这样一个宇宙物体，存在着不同于现有已知理论的特殊规律。
　　属于第一
类假说的有旋转电荷假说。它假定地球上存在着等量的异性电荷，一种分布在地球内部，另一种分布在地球表面，电荷随地球旋转，因而产生了磁场。这一假说能够很自然地通过电与磁的关系解释地磁场的成因。但是，这个假说却有一个致命缺点，首先它不能解释地球内外的电荷是如何分离的；其次，地球负载的电荷并不多，由它产生的磁场是很微弱的，根据计算，如果要想得到地磁场这样的磁场强度，地球的电荷储量需要扩大1亿倍才行，理论计算和实际情况出入很大。
　　以地核为前提条件的地磁场假说也属于第一类假说，在这类假说中提出了发电机效应理论。他认为地核中电流的形成，应该是地核金属物质在磁场中做涡旋运动时，通过感应的方式而发生的。同时，电流自身形式的场就是连续不断的再生磁场，好像发电机中的情形一样。弗兰克所建立的模型说明了怎样实现地磁场的再生过程，解释了地磁场有一定的数值。但是在应用这种模型的时候
，却很难解释地核中的这种电路是怎样通过圆形回路而闭合的。此外，这个模型也没有考虑到电流对涡旋运动的反作用，而这种反作用是不允许涡旋分布于平行面的平面内的。
　　属于第一类假说的还有漂移电流假说、热力效应假说和霍尔效应假说等，但这些假说都不能全面地解释地磁场的奇异特性。
　　关于地磁场起源还有第二类假说，这其中最具代表性的就是重物旋转假说。
　　1947年，提出任意一个旋转体都具有磁矩，它与旋转体内是否存在电荷无关。这一假说认为，地球和其他天体的磁场都是在旋转中产生的，也就是说自然生磁，就好像电荷转动能产生磁场一样。但是，这一假说在试验和天文观测两方面都遇到了困难。在现有的实验条件下，还没有观察到旋转物体产生的磁效应。而对天体的观测结果表明，每个的磁场分布状况都很复杂，尚不能证明星球的旋转与磁场之间存在着必然的依存关系。
　　因此上说，关于地磁场的起源问题，学术界仍处在探索与争鸣之中，尚没有一个具有相当说服力的理论，对地磁场的成因作出解释。
　　地磁场的形成具有一定特殊性，按照旋转质量场假说，地球在自转过程中产生磁场。但是，从运动相对性的观点考虑，居住在地球上的人是不应该感受到地磁场的，因为人静止于地球表面，随地球一同转动，所以地球上的人是无法感觉到产生的磁场效应的。
通常所说的地磁场只能算作地球表面磁场，并不是地球的全球性磁场（又称空间磁场），它是由地核旋转形成的。可分为地壳、地幔和地核。美国科学家在试验中发现，地球内外的自转速度是不一样的，地核的自转速度大于地壳的自转速度。也就是说，地球表面的人虽然感觉不到地球的，但却能感觉到地核旋转所产生的质量场效应，就是它产生了地球的表面磁场。科学家在研究中还发现，地核的自转轴与地球的自转轴不在一条直线上，所以由地核旋转形成的地磁场两极与地理两极并不重合，这就是地磁场磁偏角的形成原因。
　　们在对地磁场的研究中发现，地磁场是变化的，不仅强度不恒定，而且磁极也在发生变化，每隔一段时间就要发生一次现象。
早在二十世纪初，科学家布律内就发现，70万年前地磁场曾发生过倒转。1928年，日本科学家基范也得出了同样的研究结果。后，随着古地磁研究的迅速发展，人们获得了越来越多的证据。如岩浆在冷却凝固成岩石时，会受到地磁场的磁化而保留着像磁铁一样的磁性，其磁场方向和成岩时的地磁场方向一致。科学家在研究中发现，有些岩石的磁场方向与现代地磁场方向相同，而有些岩石的磁场方向与现代地磁场方向正好相反。科学工作者通过陆上岩石和海底沉积物的测定，及的分析终于发现，在过去的7600万年间，地球曾发生过171次磁极倒转。距今最近的一次发生在70万年前，正如布律内所指出的那样。
　　根据起源理论，地磁场磁极之所以发生倒转，是由地核自转角速度发生变化而引起的。地壳和地核的自转速度是不同步的，现阶段地核的自转速度大于地壳的自转速度。然而，40亿年前，情况却不是这样，那时地球表面呈熔融状态，也刚刚被俘获，地球从里到外的自转速度是一致的，地球表面不存在磁
场。但是，随着地球向月球传输角动量，地球的自转角速度越来越小。同时，地球也渐渐形成了地壳、地幔和地核三层结构。地球自转角动量的变化首先反映在地壳上，出现了地壳自转速度小于地核自转速度的情形。这时，在地球表面第一次可以感受到磁场的存在，地核以大于地壳的自转速度形成了地磁场。按照左手定则，磁场的N极在地理南极附近，磁场的S极在地理北极附近。地壳与地核自转角速度不同步，这种情形并不能长久地保持下去，地核必然通过地幔软流层物质向地壳传输角动量，其结果是地核的自转角速度逐渐减小，地壳的自转角速度逐渐增大。当地壳与地核的自转角速度此增彼减而最终一致时，地磁场就会在地球表面消失。地核与地壳间的传输并不会到此为止，在惯性的作用下，地壳的自转角速度还在继续增大，地核的自转角速度继续减小，于是出现了地壳自转角速度大于地核自转角速度的情形。这时，在地球表面就会感受到来自地核逆地球自转方向的旋转质量场效应。按照左手定则判断，新形成的地磁场的N极在地理北极附近，S极在地理南极附近。从较长的时期看，整个地球的自转速度处在减速状态，但地壳与地核间的相对速度却是呈周期性变化的，这就是每隔一段时间地球磁场就要发生一次倒转的原因。
据测定，地磁场发生倒转前有明显的，地球的磁场强度减弱直至为零，随后，约需一万年的光景，磁场强度才缓缓恢复，但是，磁场方向却完全相反。目前，地球磁场强度有逐渐减弱的趋势，在过去的4000年中，的磁场强度已减弱了50%，这说明地核相对的速度差正在缩小。
值得说明的是，无论地球表面测得的地磁场方向如何发生变化，但是，在中地磁场的方向却始终是不变的。因为在太空中测得的地磁场，是整个地球自转产生的旋转质量场效应，并不会因为地壳与地核相对速度的改变而发生变化。根据左手定则，在太空中测得的地磁场的N方向始终在地理南极上空。
　　在电磁感应效应中，通电导体产生的磁场强度与电流强度成正比，即与导体内“定向移动”的自由电子数目成正比。而每个电子的自旋角动量又是恒定的，所以磁场强度实际上是与所有电子的自旋角动量之和成正比。同理，宏观物体产生的磁场强度，也应与旋转质量场的角动量成正比，即与物体的质量和自旋角速度成正比，与质量场的旋转半径（观测点到物体质心的距离）成反比。用公式表示为：
　　H = f mω/r = f 0 m / T r (f 0为常数，T为自转周期，r为旋转质量场半径）
　　根据这一公式，在地球表面测得的磁场强度H，只与地核的质量成正比，角速度ω的取值为地壳与地核自转角速度之差，r为地球的半径（地磁场强度为5×10-5）。而地球在太空中形成的空间磁场，其磁场强度与整个地球的质量成正比，与地球的自转角速度成正比（近似值），与观测点到地球中心的距离成反比。因此，在近地球的宇宙空间，地球所形成的空间磁场强度大于地表的磁场强度。磁场的最大特点是磁极恒定，不会像地球表面磁场那样发生磁极倒转现象。
　　当告诉人们，永磁不耐高温时。人们开始意识到地球磁场就应该是一个电磁场。电磁场遵循方程原理，所以在地球里面一定有电流在流动。依据我们测得的地球磁场形态反推地球电场，地球电场电流的最大处应该在赤道切面的平面上。当代地磁场理论认为，这个电流是在地核赤道上流动的（地核发电机原理），它的动力源于地球层之间的自转差。实际上这是一些很不切实际的想法，地球的较差自转本身就不是一个加速度，它不会有能量产生。电流形成地磁场，电流在地核上要比在地壳上须要更强大的动力，它是在级数上差别的。所以根本上说地球内部就不会有这么大的能量产生。
　　科学的进步使人们知道，对自己周围的环境数量化很是重要。二十世纪人类开始测量各地岩石的剩余磁场，它可以表明岩石形成时地球磁场的许多参数。测量的结果令人震惊，有许多的岩石剩余磁场颠倒了。颠倒的剩磁是当时主要想解释的矛盾，经过很长时间思考，没有更好的解释，只好是说地磁场翻转了。可是岩石剩磁场不仅是颠倒，而且由下倾变为向上翘，这在当时科学界没太多地注意这个问题。
这只是一个空间概念问题的思考，实际上地球磁场从来就没有翻转过。我们可以想象，在你面前横放着一个导电体，流经它的电流就可以在导体周围产生一个磁场，你可以把在你这边的磁场定义为正向磁场，那么在导体的另一边对你这面来说就是一个反向磁场。
　　你面对的正向磁场某个点上，有它的场强、极向和倾角。在磁场发生翻转时，也就是说导体的电流方向发生改变。这时磁场极向也就改变了，可是磁场的磁倾角是不会改变的。极向和倾角同时改变的情况就只有到导电体的反向磁场相对位置中去找。地球岩石的翻转剩磁可以说都是在层之下形成的，所以它们的磁场极向和磁倾角都发生了改变。
　　有人会问，地球磁场在几十亿年的进化中到底发生过翻转吗？解决这个问题，这就只能到剩余磁性的资料里去翻看了，要是发现有磁场极向改变而磁倾角不变地层，这说明会有地磁场翻转的情况发生。可是地球磁场从来就没有翻转过。
　　地球生物都是在地球表面和水中进化的，所以地球生物从来就没有在逆向磁场中生存过。这样地球生物演化的表现也就没有逆向磁场的生物特征留存。
　　麦克斯韦方程反推地球电场和岩石剩余磁场唯一解释都说明，地球电磁场的电流是在地壳中流动着，但是我们为什么很少能感觉到这个地电流的存在呢？这主要是因为电流在地壳导体场流动时，它有一个最小电阻路径原理。因为地球是圆的，所以地电流不会表现到地球表面上来。
　　地球的演化、乃至的演化是一个恒定变化的过程，在其中很少会有突发事件发生。行星的磁场如果发生翻转，那可以说是突发事件引诱的，这种突发事件在太阳里我们无法找到它的诱发点。地球磁场也从来就没有翻转过。
　　地球的磁性，是地球内部的物理性质之一。地球是一个大磁体，在其周围形成磁场，即表现出磁力作用的空间，称作地磁场。它和一个置于地心的的磁场很近似，这是地磁场的最基本特性。地磁场强度很弱，这是地磁场的另一特性，在最强的两极其强度不到10-4(T），平均强度约为0.6x10-4(T），而它随地点或时间的变化就更小，因此常用（γ），即10 -9(T）做为磁场强度单位。
　　关于地球磁场的来源，早期历史上曾有来自星的传说，但是到公元17世纪初就已经认识到地球本身就是一个巨大的磁体，不过当时仍不清楚地球磁场是怎样产生的。随着科学的发展，对于地球磁场观测和的研究不断增多和深入，对地球磁场的来源先后提出了10多种学说。这里按照历史的先后对一些各有一定根据或设想的地球磁场来源学说作简单介绍：
　　⑴永磁体学说，是最早提出的一种学说，认为地球内部存在巨大的永磁体，由这永磁体产生地球磁场。这是一个永磁场的假说，地球起源于一块巨大的磁体.19世纪末，著名物理学家发现磁石的物理特性，就是当磁石加热到一定温度时，原来的磁性就会消失.正好可以证明地球在诞生之初只是一块超大的磁石，他吸引附近带铁、钴、镍元素的小行星.陨石和磁石，因为某种原因产生的高温使这块磁石的磁力消失而变成了电磁铁中间的磁芯..因为这块磁芯没有固定所以会发生磁极颠倒，发现的地球引力其实就是磁力当然这些还需要科学家的验证...................按照“居里点”的的结论地球内部不能有一个永磁体，但是并不代表它最初不是一块永磁体
　　⑵内部电流学说，认为地球内部存在巨大的电流，形成巨大电磁体产生地球磁场，但是既未观测到这种巨大电流，而且巨大电流也会很快衰减，不会长期存在。
⑶电荷旋转学说（公元1900年，简写作1900），认为地球表面和内部分别分布着符号相反、数量相等的电荷，由地球自转而形成闭合电流，由此电流产生磁场，但这学说缺乏理论和实验基础。
　　⑷压电效应学说（1929），认为在地球内部物质在超高压力下使物质中的电荷分离，电子在这样的电场中运动而产生电流和磁场。但理论计算出这样的磁场仅有地磁场的约千分之一（10-3）。
　　⑸旋磁效应学说（1933），认为地球内的强磁物质旋转可以产生地球磁场，但这种旋磁效应产生的磁场只有地球磁场的大约千亿分之一（10-11）。
　　⑹温差电效应学说（1939），认为地球内部的产生的热量，使熔融物质发生连续的不均匀对流，这样产生温差电动势和电流，由此电流产生地球磁场，但理论估计也同地球磁场不符合。
　　⑺发电机学说（），认为是地球内部的导电液体在流动时产生稳恒的电流，由这电流产生地球磁场。
　　⑻旋转体效应学说（1947），是根据少数天体观测得到的经验规律，认为具有角动量的旋转物体都会产生磁矩，因而产生磁场。这一学说需要使用一无科学根据的常数，5年后又被提出这一学说的科学家根据精密的实验结果加以否定了。
　　⑼磁力线扭结学说（1950），认为在地球磁场磁力线的特性和地核的较差自转，会使原始微弱的地球磁场放大，由此产生地球磁场。
　　⑽效应学说（1954），认为在地球内部由于温度不均匀产生的温差电流和原始微弱磁场的同时使用下，会由霍尔效应产生霍尔电动势和霍尔电流，由此产生地球磁场。
　　⑾电磁感应学说（1956），认为由太阳的强烈磁活动通过带电粒子的太阳风到达地球后，会通过地球内部的电磁感应和整流作用产生地球内部的电流，由此产生地球磁场。在这些学说中，只有发电机学说（又称学说）在观 测、实验和理论研究上得到较多的证认，是目前研究和应用较多的地球磁场学说。
　　由于地壳板块运动错位移动，地磁场会缓慢发生变动。至于引发的其他自然变化需要进行跟踪检测，长期积累数据，进入2000年前后，地壳板块明显感觉真实检测数据更加详细，所以，地磁场的数据可以根据参照物的数据测定和推断。
　　美国加州大学伯克利分校地球物理学家首次测量出地下1800英里（约2900公里）深处地核区的磁场强度，为证明地核热源提供了重要参数，正是地核热源造成了内部电流维持着磁场。
　　论文作者、加州大学伯克利分校地球与行星科学教授布鲁斯·巴菲特表示，这是首次根据观测而不是推断得到的真正数据，这一没有争议的结果将平息地核内部磁场强弱之争。他们根据观测计算出此处地核磁场强度为25高斯，是地球表面的50倍。该数据只是地球物理学家预测的中等水平。
　　地核内有强磁场意味着有很强的热源，科学家之前假设能量源是40亿年前地球在热熔化状态时留下的余热、重元素沉积和寿命较长的元素发生的放射性衰变。地球内部约60%的能量可能来自于固态内核变冷膨胀时排出较轻的元素，如果磁场只有很弱的5高斯，表明由放射性衰变所供给的热量很少，如果磁场达到100高斯，则表明放射性衰变很强。
　　地核包括液态外核和固态内核。液态外核包含了地球2/3的铁和镍，约1400英里（约2300公里）厚，形成了地球磁场；内核则是半径800英里（约1300公里）的凝固铁镍球，约是月亮大小。地核被热粘稠的地幔和一层坚硬的地壳包围。
　　变冷的地球最初从太阳系的行星轨道中获得了磁场。如果内部没有形成电流产生磁场的话，这一外部磁场将在1万年内消失。热量使外核沸腾或“对流”，通过已有磁场引导金属升降，产生了电流继续维持磁场。而这种流动发电在地表产生了缓慢的磁场转变。
　　巴菲特根据观测改进了地球内部发电模型，目前正在研究第二代模型。他认为，地球内部信息的缺乏会对构建精确模型造成很大障碍，而月亮在地球旋转轴倾角上的拉力，能提供地球内部磁场的信息。月球拉力使得内核自转轴缓慢地以相反方向运动，这种运动改变了外核磁场受到外核磁场的阻碍。巴菲特通过对远距离类星体（极明亮活跃的星系）的无线电观测计算出这一阻力，进而计算出外核的磁场强度是25高斯。
　　巴菲特指出，25高斯是整体外核的平均水平，磁场会随位置不同而变化。“由此我们还发现，观察远距离类的星体，能帮助照见地球内部。”
　　地球磁场跟地球引力场一样，是一个地球物理场，它是由基本磁场与变化磁场两部分组成的.基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，变化非常缓慢.变化磁场包括地磁场的各种短期变化，与电离层的变化和太阳活动等 有关，并且很微弱.
　　地磁场也是一个向量场.描述空间某一点地磁场的强度和方向，需要3个独立的地磁要素.常用的地磁要素有7个，即地磁场总强度F，水平强度H，垂直强度Z,X和Y分别为H的北向和东向分量，D和I分别为磁偏角和磁倾角.
　　自从高斯（Gauss）把球谐分析方法引进地磁学，建立地磁场的数学描述以来，地磁学得到了极大的发展.目前，地磁模型包括全球的和局部地区的两种.
　　它就是到目前为止IAGA的有关小组每5年给出一个世界地磁参考场（IGRF).
　　全球地磁场模型：
　　在球极坐标系中，拉普拉斯方程的通解为： _
　　在高斯分析中是根据内边界上的函数值及其法向变化率来确定高斯系数（g,h）的.
　　局部磁场模型
　　局部地区的地磁场模型方面的学术问题与全球的有所不同，局部地区的地磁场模型不能采用球谐分析方法因为没有"三维"意义
　　地磁场模型与地磁图是了解研究地磁场空间分布与时间变化规律，及其源的特征与变化的基础.因此，也是了解我们地球及有关的动力学过程的重要手段.
　　地磁场模型的科学价值：
　　经过多年研究分析，俄罗斯科学院医学基因研究中心地磁，电离层和无线电波扩散研究所的科研人员提出，地磁场的变化可导致人体淋巴染色体的畸变，使畸变的频率提高两倍.
　　地磁场的其他应用：
　　通过实验，科研人员得出结论，磁场变化的速度而不是磁场的绝对量影响染色体畸变的频率和细胞分裂过程中物质的交换，在一定范围内，地磁场的变化甚至影响DNA的合成.
　　据现代科学证明，地磁（气场）对人体有很大的影响：
　　如果人体长期顺着地磁的南北方向可使人体器官细胞有序化，产生生物磁化效应，使生物电得到加强，器官机能得到调整和增进，从而起到了良好的作用.
　　在地球南北两极附近地区的高空，夜间常会出现灿烂美丽的光辉.有时它像一条彩带，有时它像一团火焰，有时它又像一张五光十色的巨大银幕.它轻盈地飘荡，同时忽暗忽明，发出红的，蓝的，绿的，紫的光芒.静寂的极地由于它的出现骤然显得富有生气.这种壮丽动人的景象就叫做极光.
　　产生极光的原因是来自大气外的高能粒子（电子和质子）撞击高层大气中的原子的作用.这种相互作用常发生在地球磁极周围区域.现在所知，作为太阳风的一部分荷电粒子在到达地球附近时，被地球磁场俘获，并使其朝向磁极下落.它们与氧和氮的原子碰撞，击走电子，使之成为激发态的离子，这些离子发射不同波长的辐射，产生出红,绿或蓝等色的极光特征色彩.
　　在太阳活动盛期，极光有时会延伸到中纬度地带，极光有发光的帷幕状，弧状，带状和射线状等多种形状.发光均匀的弧状极光是最稳定的外形，有时能存留几个小时而看不出明显变化.然而，大多数其他形状的极光通常总是呈现出快速的变化.弧状的和折叠状的极光的下边缘轮廓通常都比上端更明显.极光最后都朝地极方向退去，辉光射线逐渐消失在弥漫的白光天区.造成极光动态变化的机制尚示完全明了.
　　在太阳创造的诸如光和热等形式的能量中，有一种能量被称为"太阳风".这是一束可以覆盖地球的强大的带电亚原子颗粒流，该太阳风在地球上空环绕地球流动，以大约每秒400公里的速度撞击地球磁场，磁场使该颗粒流偏向地磁极，从而导致带电颗粒与地球上层大气发生化学反应，形成极光.
　　地球的磁场还在不断发生变化，其变化方式也在发生变化.不同地方的磁场方向和强度均以不同的方式发生变化，可能变小，也可能南北极发生大翻转 .由于地球磁场的复杂性，要预计它在遥远的将来会是什么样子是不可能的.地球物理学家们利用分布在世界许多地方的磁场观测点收集的数据，通过数学模型分析出磁场将如何变化.
　　地球磁场不是孤立的，它受到外界扰动的影响，地球磁层是一个颇为复杂的问题，其中的物理机制有待于深入研究。
&&&&&& 对地球磁场起源的探索，早在公元1600年前后就已经开始了，其主要假说有永磁体说、电流说、压电效应说、温差电效应说、发电机理论等，其中永磁体说被实验否定，电流说由于电阻问题而被人们放弃，压电效应说由于现实中的压电效应本身没有涉及温度的影响，其实验值都是在常温下获得的，据此推出的磁场强度微不足道而被人们抛弃，发电机理论由于不能说明南北磁极翻转而受到质疑。那么，地球的磁场是如何产生的呢？ &&&&&& 只有存在运动电荷或电流才能产生磁场，因此，地球磁场应该与地球内部的带电结构有关。但是，地球磁场的南北磁极还存在着一种小范围的低速运动，这种运动表明地球磁场不仅仅是地球内部的带电部分作旋转运动产生的，在地球内部还应该存在着一个相对稳定的内部电流。那么，地球内部为什么会长期稳定地带电、并存在一个相对稳定的内部电流呢？ 据分析，地球内部地幔的半径约为2900公里，温度大约在℃之间，压力为50万～150万个大气压，地核的半径约为3500公里，温度在5540℃左右，压力大约为350万个大气压。在通常情况下，构成宏观物体的每个原子所带的正电量和负电量是等值的，这样，经中和后的宏观物体就不带电了。但由于地核及地幔下部物质受到的压力作用较大，温度也较高，笔者认为，一个在常温低压状态下被公认的常识，宏观物体不能自发地稳定带电的观点将不再成立，即在天体内部的高压状态下，物质都是带电量不等的离子体，高温等离子体、低温等离子体的“相等”是不可能的。 &&&&&&& 磁流体发电的实验表明，在上千度以上的温度状态下，物质中少量原子中的电子可以克服原子核引力的束缚而变成自由电子，同时原子则因失去电子变成带正电的离子，这种状态称之为低温等离子状态。地核的温度在5540℃左右，如此高的温度势必会使地核中少量原子的电子克服原子核引力的束缚，变成自由电子，同时令构成地核的少量原子失去电子变成带正电的离子，在压力不是很高的状态下，失去电子的原子及克服原子核引力束缚的自由电子通常以等离子状态存在，原子核的引力作用及热运动使自由电子不能长期与失去电子的原子脱离开来。但是，当物质是在超高压作用下以密度极大的状态存在时，克服原子核引力束缚的电子，将在地核压力产生的巨大挤压力作用下，趋于飘浮到地核与地幔的交界处，造成克服原子核引力束缚的自由电子与失去电子的原子长期脱离开来，笔者将这种现象称之为热压电效应。由于地核内部的原子总量非常巨大，可以产生大量的被分离电荷。 &&&&&&& 原子最外层电子云的分布几率，会受到邻近原子中电子的静电排斥作用，由于地核中物质所受压力作用较高，物质密度较大，受到邻近原子中电子的静电排斥作用也相应较强，原子的最外层电子云会部分地失去围绕原子核运动的空间，使原子最外层电子的分布向原子外扩张。与常压状态下金属中可自由运动的自由电子不同，在超高压压力作用下失去围绕原子核运动空间的电子，也不能在地核中其它邻近原子之间自由运动。由于整个地核的压力都较高，因此，地核中少量原子最外层电子云的分布几率将一直延伸到压力较低的地核与地幔交界处甚至地幔中上部。地核中部分以自由电子状态存在的电子在压力作用下，趋于朝压力较低的地核与地幔交界面附近甚至地幔中上部分布，使宏观的地核处于带正电状态，地核与地幔的交界面附近以及地幔中上部处于带负电状态，即发生热压电效应。 原子的基态通常处于较深的负能级状态，较弱的压力作用不能将其激发或电离，但较强的压力作用会以一种令原子最外层电子云运动空间减少的形式，改变原子最外层电子云的分布几率。由于更低的能态已经被其它电子占据，原子最外层电子云只能朝外扩张，使原子最外层电子云的分布几率可以延伸到地核与地幔的交界处甚至地幔中上部，并在地核与地幔的交界处外部形成一个电子壳层。 天体内部的热压电效应主要是将与原子分离的电子挤压出天体内部的高压区，如果电子没有与原子分离，则很难被大量地挤压出天体内部的高压区。 &&&&&&&& 将地核视为一个巨大的带正电荷的原子核，将地核与地幔的交界处外部覆盖整个地核的带负电荷的电子壳层视为一个巨大的带负电荷的电子气海洋，地核所带的正电量和地核周围电子壳层所带的负电量是等值的，这样，经中和后的宏观地球外表就不带电了。电子气的比重极小，在超高压与高温共同作用产生的强大浮力作用下，地核中以离子状态存在的电子克服原子核的库仑作用，趋于飘浮到地核外部，并在浮力作用与地核中所有失去电子的原子的库仑作用相平衡的位置，也即在地核与地幔的交界面附近，形成一个覆盖地核的电子壳层。将地核与电子壳层视为一个巨大的“原子”，地球磁场的产生就与这个巨大 “原子”的存在有关。 必须强调，由于电子具有波动性，每个飘浮到地核外部的电子的分布位置并不是固定不变的，而是有一定的范围，其飘浮的范围甚至有可能一直延伸到地球表面上来，也就是说地球的表面有可能带有负电荷，在我们的周围也应该存在一个可以测量到的电势梯度，但不知为何没有被测量到。 &&&&&&& 由于电子气海洋的存在，产生了地核与地幔的交界面层。美国的科学家通过实验观察发现，地核的自转与地壳和地幔并不同步。地核与地幔之间接触面积非常巨大，按照“常识”，充满液态岩浆的地核与地幔之间接触面上产生的摩擦力应非常巨大，足以使质量巨大的地核与地幔之间的相对运动在几小时或几分钟的“瞬间”趋于同步，并将其相对运动所具有的动能转化为热能和冲击波，同时在地球内部产生巨大的震动，由于地壳的厚度只有微不足道的几十公里，地核与地幔所具有的动能足以冲破地壳，产生直冲大气层的岩浆巨浪，可地核的旋转运动竟然能在上亿年的时间里与地幔不同步，这是为什么呢？ 众所周知，当原子相互作用形成离子或分子时，有获得特殊稳定构型的倾向，其中最重要的是惰性气体结构。在通常情况下，非惰性气体结构的元素只能以原子结合成分子来形成惰性气体结构，但在大量电子以自由状态存在的电子壳层中，原子会趋于直接与电子结合成具有惰性气体结构的带电粒子，以使系统处于相对较低能量状态。原子直接与以自由状态存在的电子结合成具有惰性气体结构的带电粒子，造成电子壳层中大量原子处于特殊稳定构型的负离子状态。电子壳层中大量电子的静电屏蔽作用，还能令电子壳层中原子之间失去相互作用，不能相互结合生成分子。 &&&&&& 根据量子力学理论，存在于具有惰性气体结构原子轨道上的电子的排列不是任意的，电子将趋于由自旋平行且反向的自由电子双双组成电子对。具有惰性气体结构的金属阴离子物质在常温常压下是不存在的，但由于地核与地幔交界面上电子壳层的存在，令地核与地幔接触面上充满了具有惰性气体结构的铁、镍等负离子物质。带有电子的铁、镍等元素的性质非常特殊，由于元素之间没有相互作用，相对运动时产生的摩擦力作用极小，具有惰性气体结构的铁、镍等负离子物质就如同是具有超流动性的液氦。在地核与地幔的接触面上充满了具有超流动性润滑剂的状态下，地核的旋转运动即使与地幔不同步，地核与地幔在“接触面”上产生的摩擦力也是微不足道的。由于具有惰性气体结构的负离子物质具有超流动性，使电子壳层底部的物质不随地幔或地核作同步旋转运动。 &&&&&& 有证据表明，地壳及地幔的旋转速度在多种因素影响下会发生变化，但影响地壳及地幔旋转速度的各种因素，有些对地核的旋转运动并不产生同样影响。此外，由于太阳和月亮的引力作用，以及地核内部的铁核、钴核中的稳定同质异能素在高温高压作用下发生同质异能素转化核反应时释放核能的不均匀性，造成覆盖地核表面的电子壳层不同区域存在较大温差，使电子壳层底部的负离子物质发生大规模定向运动，尽管巨大的负离子物质风暴的摩擦力对地核与地幔都微不足道，但由于电子气海洋中的铁、镍等金属负离子物质风暴，造成地核与地幔都不断地有大量物质与电子壳层底部中物质进行交换，并给地核与地幔的旋转运动带来不同影响，经过几十亿年的漫长岁月，就会造成地幔与地核之间的旋转运动不同步。因此，地幔与地核的旋转运动不同步，自然也就不奇怪了。 &&&&&& 不难想象，太阳和月亮的引力作用，以及地核内部的铁核、钴核中的稳定同质异能素在高温高压作用下发生同质异能素转化核反应时释放核能的不均匀性，会造成电子壳层中具有超流动性物质的密度及分布发生巨大波动，由此产生的在地核与地幔之间的电子壳层底部中负离子物质大风暴会非常强烈，强烈的负离子物质大风暴又会产生强大的交变电磁场。 &&&&&& 将电子壳层中的多余电子视为超自由电子，由于有大量超自由电子和自由电子的存在，按金属导电的经典电子说，电子壳层的电阻由于电子壳层中的原子与超自由电子之间不存在固有的库仑作用联结。当超自由电子和自由电子在外电场的作用下作定向运动时，超自由电子不会通过电磁相互作用将定向运动所具有的能量传递给电子壳层中的原子物质，构成电子壳层的原子物质的无规则热运动也不会影响到超自由电子在外电场的作用下的定向运动，因此，地球内部地核与地幔之间的电子壳层是一个没有电阻的高温超导地层。 &&&&&& 根据量子力学理论，电子具有波动性，具有波动性的超自由电子在电子壳层中传播时，由于波长与电子壳层中物质自由电子相差极大，其波长要比电子壳层中物质自由电子大很多，传播时不会受到电子壳层中原子物质散射（或偏析），使超自由电子在电子壳层中的传播不会受到阻碍，因此，电子壳层中的“固有”电阻对波长与其自身的自由电子相差极大的超自由电子的影响是微不足道的。 根据量子力学理论，存在于具有惰性气体结构原子轨道上的电子的排列不是任意的，超自由电子将趋于由自旋平行且反向的电子双双组成电子对。将地核与电子壳层视为一个巨大的“原子”，电子壳层中大量的超自由电子会双双组成大量的电子对，这种电子对组态可使系统的能量降低，形成稳定的结合。于是，在电子壳层中大量的超自由电子将趋于形成电子对组态。由于电子对的惯性质量极小，其热运动不会与电子壳层中的原子产生热能交换，换句话说，超自由电子形成的电子对的热运动不受电子壳层中原子热运动的影响，故利用电子壳层中大量的超自由电子和/或超自由电子组成的超自由电子对来传输电磁场能量，则电子壳层的电阻率将与电子壳层中超自由电子组成的电子对的密度成反比。由于地核的体积极大，温度和压力又相对较高，热压电效应造成电子气海洋中超自由电子组成的超自由电子对的密度极大，电子壳层的导电率极高，堪称是高温超导地层，使得存在于其中的电流就如同存在于超导线圈中的电流那用，可以永不消失地在其中流动，也使得在地球上形成了一个磁场强度较稳定的南北磁极。如上所述，太阳和月亮的引力作用，以及地核内部释放核能的不均匀性，会造成电子壳层中具有超流动性物质的密度及分布发生巨大波动，由此产生的在地核与地幔之间的负离子物质大风暴会非常强烈，强烈的负离子物质大风暴又会产生强大的交变电磁场，使得存在于电子壳层的电流分布发生变化，造成地球磁场的南北磁极发生一种低速运动，这种低速运动在历史上曾经多次造成地球的南北磁极翻转。 &&&&&&& 天文观测表明，太阳和木星具有很强的磁场，其中木星的磁场强度大约是地球磁场的20---40倍。太阳和木星上的元素主要是氢和少量的氦、氧等这类较轻的元素，其内部并没有大量的铁磁质元素，而地球上则含有大量的铁、钴、镍等铁磁质元素，那么，太阳和木星的磁场为何比地球还强呢？ &&&&&& 众所周知，地核的半径约为3500公里，温度在5540℃左右，压力大约为350万个大气压。而木星内部的温度约为30000℃左右，压力也比地球内部高的多，太阳内部的压力、温度还要更高。热压电效应可在太阳和木星内部产生更加广阔的电子壳层，太阳和木星内部电子壳层的带电量也比地球内部电子壳层的带电量大的多，再加上木星的自转速度较快，其自转一周的时间为9小时56分30秒，木星内部电子壳层的运动的线速度也远高于地球内部的电子壳层，其磁场强度自然也要比地球高的多。 &&&&&&& 事实上，如果天体的内部温度超过铁、钴、镍的居里点，则天体的磁场强度与其内部是否含有铁、钴、镍等铁磁质元素无关，因为在居里点温度以上，它们的铁磁质性质会发生突变，这时它们已经转化为顺磁质元素了。 &&&&&& 正是由于太阳、木星内部的压力、温度远高于地球，因此，太阳、木星上的磁场要比地球磁场强的多。而火星、水星的磁场比地球磁场弱，则说明火星、水星内部的压力、温度远低于地球。 &&&&&& 此外，由于中微子具有磁矩，天体的磁场还可能与其引力作用俘获的冷中微子数量的多少有关。众所周知，在宇宙中存在着大量的中微子，其中部分中微子的运动速度相对较低，有可能被天体的万有引力作用俘获，堆积在天体的内部。对于引力较强的天体，其内部被俘获的冷中微子数量会较多，如果冷中微子在弱相互作用下，在天体的内部组合成结构较稳定的暗物质，因其不受“明”物质热运动的影响，其可在天体的内部按照一定顺序方向排列，则也会产生一定强度的磁场。
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