地球磁場蹤跡與作用之管見

張成厚

（安徽省孫疃鎮楊柳中心校 ，安徽 淮北 235000）

一、地球磁場的成因

當把太陽作為地球運動的慣性參照系時，地球既有自轉，又繞太陽沿著一定的軌道不停地公轉［1］。

圖1 太陽光進入大氣層示意圖

地球連同大氣層相當于一個中間有褐色斑點的凸透鏡（圖1），太陽就是一個大光源。當太陽的平行光線射在這個凸透鏡上時，與地球正陽面大氣層中的光敏粒子產生光電效應［2］。地球正面大氣層中光敏粒子的核外電子被太陽光激活和包圍，這些電子隨光的折射被聚焦到地球背陽面大氣層外的焦點處，形成太陽能焦點負電場。原光敏粒子失去電子而帶上了正電荷，大量的正電荷聚集在地球正陽面大氣層中，形成太陽能正電場（圖2）。

圖2 光電效應形成正負電場示意圖

由于地球連帶大氣層由西向東自轉，使太陽光線相對地球大氣層表面由東向西運動。顯然，地球正陽面大氣層中的太陽能正電場（圖3①）也隨著太陽光同步由東向西運動。同時地球背陽面大氣層外的太陽能焦點負電場（圖3②）也同步相應移動。地球背陽面大氣層外的太陽能焦點負電場位移后，原焦點處滯留著大量的負電荷（圖3③）。

由于電子具有質量，根據慣性定律［3］66－67，原焦點處滯留的大量電子要向大氣層以外的空間散逸。同時由于太陽能的作用，地球及其大氣層潛存著大量的正電荷，這些正電荷又牽引著那些欲散逸的電子。且那些電子還受到新焦點負電場（圖3②）的斥力。這三個力的合成結果，使原焦點處的電子，一方面離開新焦點，另一方面又相對太陽能正電場偏過地心一側，向地球正陽面大氣層中的太陽能正電場靠近，且引力相互作用越來越大。

圖3 正負電場放電示意圖

這樣在地球赤道上方，沿黃道面的環帶大氣層中，便產生了電荷的定向移動，形成了環帶電流和環帶電流的磁場。由右手螺旋定則，得出這個磁場的N極在地球南極附近，S極在地球北極附近。這個磁場就是地球磁場，它來源太陽的光能。

二、環帶大氣層的機理

地球赤道上方的大氣層，沿黃道一帶受太陽光照較強，大氣層中正電荷密度較大，電荷的轉換活動重點集中在赤道上方附近沿黃道一帶進行。而地球南北極上方附近的大氣層，受太陽光照射較微弱，可視為不涉及電荷的轉換活動。整個大氣層以圓形氣體外殼包裹著地球。當削去地球南北兩端無電荷轉換的氣體球冠時，這當中的大氣層就是一個圍著地球的環帶（圖4）。

三、地球磁場兩極的狀態

受地球環帶大氣層中環帶電流的制約，地球磁場兩極應是處在大氣層中的環形［4］。其環形中心點應在黃軸上，環形中心線也應是平行于黃道面的封閉的圓形曲線（圖5）。

圖4 環帶大氣層示意圖

圖5 環形磁極示意圖

四、有關地球磁極即時位置的計算公式參考圖

從地球磁場的成因可知，地球正陽面、背陽面存在著一正一負兩種太陽能電場，且運動著形成放電條件，進而形成了環帶電流和環帶電流的磁場——地球磁場。

這個運動著的地球磁場兩極的軌跡，均在南北緯約66.5度的緯線圈上方。也就是說，地球磁場軸與黃軸靠的很近，可以說是連體兄弟。

根據地球磁場的成因，可推出地球磁場北極（或南極）即時地理坐標計算公式。為了方便起見，后邊將把地球磁場北極即時地理坐標計算公式提出來。而公式的推導過程暫且不說。而且還把公式計算的字母代號和術語也標注出來，以便應用。但是，這里需要先給出圖6、圖7、圖8，重點供讀者在解讀公式（1）～（5）時參考。

五、地球磁場有關計算公式

當λΔ＜λ天時，得tD＝［360°－（λ天－λΔ）］×240秒／1°，化簡為

注：我國冬至交節時刻（可變應用常數）t冬；冬至時刻太陽垂射中心點經度（可變應用常數）λ冬；冬至到實測日期的周天時刻t′冬＝t冬；測定時刻所在日期距冬至周天數t天；實測最佳時刻與周天時刻的時段tD；周天時刻地球磁場北極經度λ天；測量日最佳測量時刻tΔ；最佳測量時段tDZ；地球磁場北極緯度66.50常數（其他維度用φx，x為序數）φ；

最佳測量時刻前后理想時段t，（15′≤t≤60′）；東經和西經轉換為順時針方向360°內統一角λx（x為序號）；地球磁場北極即時地理坐標ps；冬至到實測日期周天時刻太陽垂射中心點經度數λ′冬（λ′冬＝λ冬）；地球磁場即時經度λs。

六、地球磁場有關公式應用舉例

北京計時法，假設當年12月21日22時30分是冬至交節時刻，太陽垂射中心點為東經136°30′E。計劃明年5月16日，在某測點A（38°1′w，φ）測定地球北極磁場從這里經過的活動情況。問最佳測量時刻t（ps經過測點上空時刻）是多少？最佳測量時段是多少？（即t＝±60′范圍內）。

解：把λ冬＝136°30′E，t天＝10＋4×30＋16＝146天，

代入公式（1），得

由公式（2）得

由公式（4）得

由公式（5）得

由計算結果可知：明年5月16日在A（38°1′w，φ）點測量地球磁場北極活動情況，最佳時刻是24：25，即5月17日0：25。最佳測量時段是5月16日23：25—25：25，即5月16日23：25—5月17日1：25。

七、地球受太陽風暴影響有關問題解析

（一）太陽風暴的初期現象和機理

大氣層是不均勻的一團團氣態質體，且是流動的；環形磁極也是不停運動的，于是在環形磁極兩極的活動區域，一團團大氣便切割磁力線產生感生電動勢。在氣團與氣團首尾接近一定距離時，便進行放電。由于高空氣體稀薄，應是輝光放電占主導地位，于是產生環形極光。平時太陽活動不在高峰期，光輻射正常，相應產生的環形極光較微弱。當太陽活動高峰期產生太陽風暴之際，相應的環形極光亮度大幅度加強，才會使人們看到美麗的光環，其實質是磁暴現象。

于是在地球兩極附近地球磁極的活動區域，便會輪流產生高壓電纜切割強磁力線現象。強大的感應電流或感生電動勢，加重并遠遠超過電纜負荷。從而產生電暴和電纜燒毀等現象，給社會生產和人們生活造成損失。當然，太陽風暴的破壞作用遠不止這些電磁現象。

（二）太陽風暴的預測和最初防災措施

由上文“地球磁場的成因”可知，地球磁場和太陽直射點各有軌道，各有周期，且異步對應運動。因此，地球南北兩極周圍在太陽風暴期間某個地區或城市，每天在什么時刻或時段可能反映最強烈，可以通過相應公式計算來判斷確定。

公式解讀參考圖

關于地球南北兩極周圍，在太陽風暴期間對電纜的維護，可預先裝設防電暴地線。于太陽風暴期間，在地球環形磁極經過某地區或城市的時段里，便暫時停止該地供電約兩個小時（從磁偏角推測），并斷開所有電路，接通預設防電暴地線。待環形地球磁極運行過去后，該地再恢復供電。

為了安全起見，相關地區或城市還可以裝設南北方向的一段段電線，配備感生電動勢測試儀，用之測量地磁極的到來和離去。注意，這種強磁現象一旦出現，便有可能是兩個脈沖高峰。為什么會有兩個脈沖高峰呢？因地球環帶大氣層形成的環形磁極的中心部位形如空磁區域，強磁部位應在環形上。如圖9所示，第一脈沖過去后，接下是環形磁極內部空磁區，再接著就是第二脈沖到來。

圖9 環帶大氣層磁力線走向示意圖

（三）太陽風暴引起的磁暴在地球兩極的活動區域

太陽風暴引起的磁暴在地球兩極的活動區域，由上文“地球磁場的成因”可知：應在地球南北緯約66.5度兩個緯線圈上方一帶。其經度角速度比太陽直射點經度角速度稍快一些。同時與太陽直射點各有軌道（前者固定圓周形，后者螺旋線形）。并且，兩者所處的經圈二面角在0～180度間周期性波動。如圖10所示，是某日期三個時刻兩者的運動狀況，在地球南北緯66.5°緯線圈上的投影。其實，環形磁極所涉及的范圍應很廣（從磁偏角推測）。

地球是人類的共同家園。太陽風暴引起的災害和其他現象，首先要在地球兩極通過磁暴即強極光現象、和電暴（電纜焚燒）等現象呈現給人類。但是，其巨大能量還可能會以其他能的轉換形式，給人類造成損失。如果電暴現象能用較簡單易行的方法和措施進行有效防范，最大限度降低地球兩極附近電力系統損失，無疑會提高人類下一步的抗災能力。地球兩極約66.5度緯度沿線附近的城市和地區，可根據所在地的地理坐標，用公式計算，制定出太陽風暴引起的磁暴和電暴可能發生的時刻表，這樣，就有可能提前做好本地區供電系統的防護工作。簡易防護方法如圖11所示，以供強磁極經過某地前后能即時停電和供電，減少停電時段，提高安全系數。

圖10 地球環形磁極運行示意圖

圖11 電纜防電爆示意圖

［1］劉男.地球概論［M］.北京：高等教育出版社，1987.

［2］程守洙，江之永.普通物理［M］.北京：高等教育出版社，1999.

［3］程守洙，江之永，胡盤新.普通物理學［M］.北京：高等教育出版社，1990.

［4］王水，方勵之.太陽風中的大尺度漩渦波［J］.中國科學，1979（04）.