行星磁场起源
摘 要：本文针对地球本身以及其所处空间环境进行系统分析，发现了空间等离子体环流形成地球磁场的物理机制，并且能够很好的解释其磁场的变化规律。同时这一理论分析模式还能够很好的扩展到其他行星，弥补了现有的行星磁场起源理论的不足。
关键词：行星磁场；地磁学；等离子体环流；水星；金星；火星
The Origin of Planetary Magnetic Field
Wang Liwei
Dalian Linton Technologies Group 116036, China
Abstract: based on the systematic analysis of the earth itself and its space environment, this paper finds the physical mechanism of the formation of the earths magnetic field by the space plasma circulation, which can well explain the change rule of its magnetic field. At the same time, this theoretical analysis model can also be well extended to other planets, making up for the shortcomings of the existing theory of the origin of planetary magnetic field.
Key words: planetary magnetic field; Geomagnetism; Plasma circulation;Mercury; Venus; Mars
目前比较主流的行星磁场起源理论认为行星磁场起源于行星内部。主要是传统的永磁体假说和内部恒定电流说，但这两种假说均存在明显的漏洞，不符合物理学基本原理，无法很好解释实际情况。因此，经过长期的思考与研究，作者针对地磁场形成机制进行了系统并深入本质的思考，提出了地磁场形成的机制，并与地磁场变化规律相吻合，同时还能够扩展到其他行星。
1地磁场成因
传统永磁体假说认为地球内部存在巨大的铁镍永磁体核心并产生了行星磁场。这个假说有明显漏洞，因为地球内核温度在3500℃以上，远高于铁磁性物质的居里温度，如铁磁金属Fe、Co、Ni、Gd、Er的居里温度分别为770℃、1130℃、358℃、16℃、-251℃，常见铁磁体如铁氧体、钕铁硼、铝镍钴、钐钴、铁铬钴的居里温度分别为 465℃、320℃-460℃、800℃、700-800℃、680℃。可见地核中的铁镍核心在高温下已经没有铁磁性，因此铁镍核心不能够为整个地球提供磁场。另外地幔温度也在1100℃以上，地幔中可能存在的铁磁体也已经丧失了铁磁性。
内部恒定电流假说认为地球内部存在熔体对流发电机制产生稳定电流并产生磁场，而要想产生稳定的电流需要稳定的电压，但在宏观尺度上整个地球可以看做一个导体球，因此地球是一个巨大的等势体。高温的地球内核更是一个电导率更良好的等势体，而等势体内部的任何对流机制都不可能产生稳定而又持续的电势差，因此就不可能产生稳定的电流从而产生稳定的磁场将地球磁化，因此这一假说也是不成立的。
国内有学者提出行星磁场来源于两极的极地涡旋产生螺旋电流造成[1]，但这一解释不符合物理常识，因为低层的大气涡旋的主体是电中性的，所以并不会产生电流，因此无法产生磁场。还有观点认为，太阳辐射导致大气中的云层带电并出现电荷分布，同时云层随地球自转而产生磁场[2]，但明显这个解释过于牵强，因为云层分布具有极大的不确定性，并且云层中的电荷分布的尺度从地球空间角度来看还是很小，并不足以在地球这么大的尺度上产生持续而又稳定的电流。
本文提出一种最为合理的解释，即地磁场是由地球最外层——逃逸层内层与电离层中存在的自西向东高速运动的等离子体环流所产生的磁场，同时由于高空电离层的存在而在地表所感应出的电偶极子随地球自转产生的磁场两者相耦合，并将地球整体磁化并最终形成我们现在所看到的地磁场分布。下面我们解释其中物理机制。
地球在太阳系内公转的过程中，一方面不断的捕获太阳风向外发射出的氢离子等物质，另一方面也会有极少部分外层大气被太阳风带走，这是一个动态平衡的过程。我们可以通过分析地球捕获太阳风离子的过程从而理解为何地球最外层大气存在着自西向东的环流。
图1，日地运行示意图
如上图所示，太阳风从太阳系的中心向四面八方传播，高速运动的太阳风将地球向着太阳的一面大气层压缩，而背对太阳的一面的大气层被拉的很长。当靠近地球的太阳风离子被地球引力捕获时，这些离子需要在地球的引力的加速下获得与地球运动方向相同的切向速度（地球也获得了太阳风以及太阳光作用在地球上的径向推力，这个推力与地球引力捕获太阳风离子所产生的阻力两者之间形成微妙的动态平衡，使得地球公转轨道保持稳定），这造成地球最外层大气的质心相对于地球本身具有一个位置滞后，使得地球运动前方一侧的大气层的厚度小于背对其运动方向的另一面的运动速度。因此这样就形成了在地球公转方向上，地球前方的太阳风迎风面积小于后方，而太阳风不断的作用在大气层上，就造成了一个逆时针的持续稳定的驱动力使得最外层空间大气存在自西向东的环流，而由于最外层主要是及其稀薄的带正电荷的空间离子，因此这个与黄道平面平行的环流就形成了地球的外层空间磁场，这个环流在其内部产生的磁场方向是由南向北的，而在其外部的空间范围中的磁场方向是由北向南。
同时这个大气外层环流还将力量传递给内层大气并作用于地球本体上，于是就产生地球自西向东自转的驱动力，使得地球自转并加速，这个加速效果与地月潮汐作用的减速效果达到动态平衡，并且在地球两极还会产生稳定的极地大气涡旋。同时由于最外层大气带正电的电离层的存在，地球的陆地表面将产生感应负电荷，并且在陆地内表层产生相应的并且较为分散的且空间分布固定的感应正电荷，空间分布固定的原因是由于陆地可视为一个表层导电性能较差而深处导电性能较好的导体球，产生的感应电荷是为了抵消外部电场作用，使地球的内部电势差保持为零。这些地球表面的感应负电荷随着地球的自转会产生一个与地球南北极相反的磁场并主导地表磁场，与此同时地球内表层的感应正电荷产生的磁场与负电荷相反并主导地球内表层磁场，这两个磁场将产生耦合，即相当于在地球大地表层分布的垂直方向上的电偶极子随着地球做轴向旋转而产生的的磁场，这个磁场主导地表磁场分布并与高空离子环流磁场耦合形成闭合场。
另外由于地球大陆只占总表面积的29%，并且大陆面积中还存在很多复杂的地形如森林、沙漠、草地等等，地表植被具有复杂的立体结构，这相比于裸露的地表，会大幅度的增强地表感应电荷总量从而提高表层地壳中的感应电偶极子强度，从而随着地球自转使得相应的地表磁场得到增强，同时还有雨雪干旱、闪电放电等天气现象会不断的改变这些地表的感应电荷存量。另外海洋中的主要成分水与食盐都是抗磁性物质，而大地中主要是顺磁性物质，并且存在铁磁矿等强铁磁性物质，所以造成地表磁场强度变化莫测，使得我们长期难以看清其物理本质。
图2，地球电荷及磁场分布示意图
综上所述，如图2所示，地球大气最外层与黄道平面平行的高空等离子体环流在大气层最外侧产生高空磁场，主导地球大气层外层空间磁场，同时高空等离子层在地表感应电偶极子，并在地球自转作用下产生与地球南北极相反的磁场，主导地表磁场。同时地表磁场对地球外层的低温球壳进行磁化并增强了地表磁场。这就是地球磁场产生的机理。
根据以上磁场理论模型，我们还可以知道，当地表感应负电荷由于雷雨、地震、火山爆发、冰川覆盖等原因导致大地植被减少或增加等现象而使表面感应负电荷存量发生变化时，大地的极化强度就随之发生变化，该区域地表的磁场总强度也随之发生相应的变化，所造成的区域电场强度变化也会影响这一地区的高空电离层大气的形状。与此同时，地球内表层大地中的正电荷也随之减少或者增加，如果变化过程是瞬时的，那么大地之中就会产生较大的瞬时电流，并产生一个较强的地磁扰动；如果变化过程是缓慢的，那么就会产生一个较小的稳定的电流。
有研究分析过去80年历史数据指出，地磁指数对太阳黑子数有一个显著的同期和滞后1~4年的相关影响[3]。本文提出的行星磁场模型能够很好解释其中物理机制。太阳黑子数量的多少反映出太阳电磁活动的强弱，与太阳风强度也有对应关系。这样就使得地球最外层大气的等离子体环流的厚度有着周期性的波动，随着太阳风强度的增加而增厚导致电荷总量增加，而后随着太阳风强度的减弱又逐步丢失。高空等离子环流中的离子电荷总量与地表感应电偶极子的总量有对应关系。因此就导致了地磁指数与太阳黑子活动周期发生响应并有着时间上滞后的周期。
数据表明地磁场在近四百年来长期处于缓慢减弱的趋势[4]，根据以上磁场模型可合理推测出这与工业革命以来人类社会快速发展并持续破坏地表植被有着直接关系。根据以上地磁模型我们也可以推导出地球磁极翻转的原因：当全球地表植被大幅度的减少到一定程度，导致地表磁场降低到不能抵抗高空等离子体环流磁场时，地球表面就会出现磁极翻转，直到地表植被恢复才会回归正常。植被大幅度减少的原因可以是人类大规模生产活动、热核战争或者环境污染破坏，也可以是小行星撞击、大规模火山爆发、冰川扩张覆盖等原因。
另外，近一百年来地球磁极正持续的由加拿大向西伯利亚方向漂移，并且在1900-1980年期间移动不多，而在1980-2018年期间却加速漂移[5]。由本文地磁模型可知，磁极由加拿大向西伯利亚方向漂移，这说明从北极往西伯利亚方向也就是中国方向的地表磁场强度相较于北美大陆得到了提高，而数据表明中国的植被覆盖率在近几十年得到了明显的增长[6][7]，并且增长速度还在加快，中国森林覆盖率由建国时的12.5%升至2019年的22.96%。
在2000-2017年间，全球绿化面积增加了5%，中国和印度在陆地植被面积只占全球总量9%的情况下，对全球绿化增量的贡献达到约1/3。其中，中国的贡献占全球绿化增量的约25%，并且主要是森林植被恢复[8]。植被的恢复使得该区域地表感应电偶极子强度不断得到增加，随之使得地球这一侧的地表磁场强度增大而使得磁极向这一侧移动。
以上我们就完成了对地球磁场起源的分析，同时我们还可以将这个分析思路扩展到其他行星磁场起源的解释上。
2水星磁场及成因
根据水手10号的测量，水星磁场的强度仅有地球的1.1%。在水星赤道的磁场强度大约是300nT。像地球一样，水星的磁场是双极的。不同于地球的是，水星的地磁轴和水星的自转轴几乎是一致的。
水星公转与自转周期分别约为88与59天，每公转太阳二次时也自转三次，形成轨道共振。由于距离太阳只有0.3871天文单位，并且自转非常缓慢，所以水星表面温度变化幅度较大，在-190℃至428℃之间。另外，水星由大约70%的金属和30%的硅酸盐材料组成，当其向阳的一面处在表面大地温度较高时，其表面高温状态可以认为处于电导率最大值的状态，这意味着在大气电场作用下其表层大地达到最大程度的极化，并且该极化状态能够得以保持。另外由于水星表面没有海洋且总体地形地貌较为一致，使得水星表层的极化强度较为平均，所以其地磁轴与自转轴的夹角很小。当水星在近日点时，北半球更多的朝向太阳，北半球所得到的太阳辐射总是高于南半球，因此造成水星北半球的地表平均最高温度要高于南半球，也就造成北半球表层各处的极化强度整体略高于南半球，因此北半球的极化强度大于南半球，从而造成在水星的表面北半球的磁场略强于南半球。
水星质量相当于地球5.5%，因此水星的高空等离子体环流的流量和半径都要小，另外其自转速度是地球的1/59，使得表面磁场也较弱，造成水星磁场强度只有地球的1.1%。
3金星磁场
金星是太阳系八大行星的第二颗行星，距离太阳约0.72天文单位，轨道在水星与地球之间。金星的自转周期是243天且自转方向与地球相反，公转周期是224.7天，磁场强度只有地球的十万分之一左右。金星的体积是地球的88%，质量相当于地球的80%。它的大气层总质量是地球的93倍左右，其中超过96%都是二氧化碳，厚度也比地球大气层厚了50公里，且其大气内部温室效应很强，地表温度在400℃以上。
在解释金星磁场起源之前先分析金星自东向西自转的原因。
由于金星质量较地球小造成自身引力较小，而大气层更厚且大气质量高，其大气主要是质量较大的气体分子，相对难以捕获外层空间中高速运动的太阳风离子。由于金星大气的减速作用，金星对其公转方向前方的太阳风离子具有一定的捕获能力，而对其后方的太阳风离子捕获能力较差而使得其动量无法有效传递，这就对金星大气产生了持续的顺时针的作用力，在持续的太阳风吹扫的作用下就在大气最外层产生非常稀薄的顺时针高速运动的电离层环流，这个环流的存在使得金星顺时针自转。
根据本文地磁理论，金星相反的自转方式决定了金星磁场极性与地球相反。同时金星大气中存在大量的闪电现象，这说明金星大气中存在电场，因此金星高温地壳表层也能够存在感应电荷与感应电偶极子，但其自转速度较慢，导致磁场非常微弱。
由以上分析可知，若将金星改造成为宜居行星就需要降低金星大气层的总质量与厚度，并将占比达96%的二氧化碳封存起来，从而逐步在金星表面产生与地球类似的磁场，之后通过磁场不断捕获太阳风氢离子逐步恢复其海洋，并中和固化表面硫酸，之后恢复植被，恢复正常生态系统——工程量非常大。
4火星磁场
火星的直径、质量、表面重力约分别为地球1/2、1/9、2/5，火星自转轴倾角、自转周期与地球相近，公转周期则为两倍左右。火星大气层密度只有地球大气1%，其中96%是二氧化碳。火星磁场强度为地球磁场的0.1%~0.2%。由于火星引力较小，同时没有磁场的有效保护，导致其大气层非常稀薄，外层空间等离子体环流也较弱，另外火星表面低温干燥，因此火星表层导电性能极差，也难以产生大量的感应电偶极子，所以两点原因共同造成火星磁场几乎完全丧失。
根据最新的探测表明，火星上曾经存在广阔的海洋，并且曾经有着较强的磁场，还多次发生磁极互换。这是由于，在火星表面较为湿润存在植被的情况下，通过与高空等离子体环流感应作用，火星表层能够极化并随着火星自转产生较强的磁场，磁场提供保护使火星大气维持在较厚的状态，产生较强的温室效应使火星成为宜居行星。而当火星表面植被由于火山爆发或者其他因素而大幅度减少，使得地表磁场降低到无法与外层空间磁场抗衡时，即造成火星磁极翻转，当地表植被恢复时，磁极也重新回到正常状态。磁极翻转过程在地球上也多次发生。不同的是，地球的引力较强，能够维持住较强的外层等离子体环流，能够维持住较强的外磁场并将行星磁化，也可以对大气提供较好的保护。而火星引力较弱，在磁极翻转的过程中不断的丢失水和大气质量，最终导致无法有效维持宜居的生态环境，导致无法生长植被，使得火星磁场最终消失，失去磁场保护导致海洋消失。现在，失去磁场保护的火星大气在太阳风的作用下一直在不断丢失质量。
5木星磁场
木星是一个巨大的液态氢星体，其质量、半径、体积分别是地球的318、11、1316倍。木星有很强的引力、磁场和辐射带。由于木星岩石内核相对整个行星来说很小，并且由于内部高温，所以岩石内核的表面光滑，也难以在固体内核表面产生较强的感应电偶极子，所以它只有一个外磁场，使得木星磁极方向与地球相反。
6土星磁场
土星是一颗类木气态行星，磁场形成机制与木星类似。
7天王星磁场
天王星属于冰巨星，主要是由岩石与各种成分不同的水冰物质所组成，其组成主要元素为氢（83%），其次为氦（15%）。天王星体积是地球的65倍，质量约为地球的14.63倍。天王星的标准模型结构包括三个层面：在中心是岩石的核，中间是冰地幔，最外面是氢/氦组成的外壳。相较之下核非常的小，有0.55地球质量，半径不到天王星的20%；地幔则是个庞然大物，质量大约是地球的13.4倍；而最外层的大气层则相对上是不明确的，大约扩展占有剩余20%的半径，质量大约有地球的0.5倍。冰地幔实际上并不是由一般意义上所谓的冰组成，而是由水、氨和其他挥发性物质组成的热且稠密的流体。这些流体有高导电性，有时被称为水与氨的海洋。天王星并没有土星与木星那样的岩石内核，它的金属成分是以一种比较平均的状态分布在整个地壳之内。
由于天王星的质量很大，其表面也是气态，其自身所具有的外层高空离子大气环流形成磁极轴与自转轴相同的磁场1并且自转轴与黄道平面只有7.77°的夹角；与此同时，行星最外层逃逸层的稀薄的太阳风等离子体环流始终保持在黄道平面上作逆时针旋转而产生磁场2，另外，天王星能够导电的氨冰地幔在电离层电场极化下产生感应电偶极子，随着自转产生一个磁场，推测这三个磁场相互叠加就形成了与自转轴成夹角并随着行星自转而不断旋转的天王星磁场。另外由于天王星密度较低且星体质量远小于木星、土星，导致其引力相对较弱，使得外层离子环流偏离其行星中心较多，使得磁场中心与行星中心偏离较大。
关于天王星的自转轴为何表现得如此奇特，在此尝试解释：假设天王星最开始的自转轴和磁轴是重合的且与黄道平面垂直，由于天王星距离太阳距离遥远，在外层等离子体环流的驱动下，靠近赤道附近低纬度的天王星大气与天王星冰地幔存在比两极更强的摩擦，同时赤道地区还能够得到来自太阳辐射的热量，这样造成两极地区与赤道地区的形成较大的温差，而使得天王星的冰地幔由最初的圆形逐步变成南北走向的纺锤形，但在两极附近极可能出现较为突出的冰帽，这样奇异的结构在大气环流的作用下就变得极其不稳定，于是这个纺锤形靠近两极的某处出现断裂导致该处的极地冰帽向一侧崩塌，同时也引发另一极的冰帽坍塌。坍塌之后新的冰帽又会出现……这样持续的重力冲击产生的扭矩使得其自转轴逐步翻转变成了现在的状态。在自转轴翻转97.77°的状态下，天王星两极能够在公转的过程中比较均匀的得到太阳的加热，而赤道附近又有大气与地幔摩擦发热，同时还有在倾斜磁场的作用下，太阳风高能粒子对两侧磁极的不断轰击也能够产生热量，这三个发热机制的共同作用使天王星的冰地幔能够维持为接近球形，从而达到比较稳定的自转状态，所以就形成了这样的运动方式。
8海王星磁场
海王星的轨道半长轴为30.07天文单位，公转周期为164.8年，自转周期为16时6分36秒，质量为17.147地球质量，半径为3.86地球半径。同样，由行星大气逃逸层等离子体环流驱动理论可知，质量较大的海王星能够拥有较强的磁场，这与实际情况能够吻合。其磁场形成机理与天王星类似。
总结
最新的研究和观测表明，太阳风氢离子能够通过轰击小行星表面从而产生水[9],科学家在月球上也发现了太阳风氢离子轰击月壤形成SiOH的证据[10]。而在了解了行星磁场起源之后，我们还可以更好的解释行星上水的来源以及海洋的形成。以最靠近太阳的水星为例。水星上存在大量的氧元素，而水星的磁场能够捕获太阳风离子并在磁场的引导下向水星两极高速撞击。当太阳风中的氢离子与水星两极大气中或者两极极地中存在的含有氧原子的分子发生碰撞时，就有一定概率发生反应而生成水,并沉积在水星表面的低温区域如两极的环形山中。于是我们可以看到水星两极的环形山中存在大量的冰。
在地球上同样可以发生这样的过程：两极在太阳风氢离子的轰击下产生水分子并不断沉积，并且由于地磁场对太阳风的屏蔽作用而得以实现大气层质量的动态稳定。当磁场不断减弱而无法屏蔽太阳风离子对行星外层大气的剥离时，最轻的氢原子就会不断的散失到宇宙空间中，促使水源源不断进入大气中并分解，最终使行星表面的海洋逐步消失，所以地球磁场的稳定对生态环境安全至关重要。
这样，我们不仅明白了行星磁场产生的机理，也知道了如何改变或者恢复行星的磁场，这不但对当今人类文明发展具有重要参考价值，还对于未来人类进军宇宙空间改造其他行星也具有重要的指导意义。
