地球磁场踪迹与作用之管见

张成厚

（安徽省孙疃镇杨柳中心校 ，安徽 淮北 235000）

一、地球磁场的成因

当把太阳作为地球运动的惯性参照系时，地球既有自转，又绕太阳沿着一定的轨道不停地公转［1］。

图1 太阳光进入大气层示意图

地球连同大气层相当于一个中间有褐色斑点的凸透镜（图1），太阳就是一个大光源。当太阳的平行光线射在这个凸透镜上时，与地球正阳面大气层中的光敏粒子产生光电效应［2］。地球正面大气层中光敏粒子的核外电子被太阳光激活和包围，这些电子随光的折射被聚焦到地球背阳面大气层外的焦点处，形成太阳能焦点负电场。原光敏粒子失去电子而带上了正电荷，大量的正电荷聚集在地球正阳面大气层中，形成太阳能正电场（图2）。

图2 光电效应形成正负电场示意图

由于地球连带大气层由西向东自转，使太阳光线相对地球大气层表面由东向西运动。显然，地球正阳面大气层中的太阳能正电场（图3①）也随着太阳光同步由东向西运动。同时地球背阳面大气层外的太阳能焦点负电场（图3②）也同步相应移动。地球背阳面大气层外的太阳能焦点负电场位移后，原焦点处滞留着大量的负电荷（图3③）。

由于电子具有质量，根据惯性定律［3］66－67，原焦点处滞留的大量电子要向大气层以外的空间散逸。同时由于太阳能的作用，地球及其大气层潜存着大量的正电荷，这些正电荷又牵引着那些欲散逸的电子。且那些电子还受到新焦点负电场（图3②）的斥力。这三个力的合成结果，使原焦点处的电子，一方面离开新焦点，另一方面又相对太阳能正电场偏过地心一侧，向地球正阳面大气层中的太阳能正电场靠近，且引力相互作用越来越大。

图3 正负电场放电示意图

这样在地球赤道上方，沿黄道面的环带大气层中，便产生了电荷的定向移动，形成了环带电流和环带电流的磁场。由右手螺旋定则，得出这个磁场的N极在地球南极附近，S极在地球北极附近。这个磁场就是地球磁场，它来源太阳的光能。

二、环带大气层的机理

地球赤道上方的大气层，沿黄道一带受太阳光照较强，大气层中正电荷密度较大，电荷的转换活动重点集中在赤道上方附近沿黄道一带进行。而地球南北极上方附近的大气层，受太阳光照射较微弱，可视为不涉及电荷的转换活动。整个大气层以圆形气体外壳包裹着地球。当削去地球南北两端无电荷转换的气体球冠时，这当中的大气层就是一个围着地球的环带（图4）。

三、地球磁场两极的状态

受地球环带大气层中环带电流的制约，地球磁场两极应是处在大气层中的环形［4］。其环形中心点应在黄轴上，环形中心线也应是平行于黄道面的封闭的圆形曲线（图5）。

图4 环带大气层示意图

图5 环形磁极示意图

四、有关地球磁极即时位置的计算公式参考图

从地球磁场的成因可知，地球正阳面、背阳面存在着一正一负两种太阳能电场，且运动着形成放电条件，进而形成了环带电流和环带电流的磁场——地球磁场。

这个运动着的地球磁场两极的轨迹，均在南北纬约66.5度的纬线圈上方。也就是说，地球磁场轴与黄轴靠的很近，可以说是连体兄弟。

根据地球磁场的成因，可推出地球磁场北极（或南极）即时地理坐标计算公式。为了方便起见，后边将把地球磁场北极即时地理坐标计算公式提出来。而公式的推导过程暂且不说。而且还把公式计算的字母代号和术语也标注出来，以便应用。但是，这里需要先给出图6、图7、图8，重点供读者在解读公式（1）～（5）时参考。

五、地球磁场有关计算公式

当λΔ＜λ天时，得tD＝［360°－（λ天－λΔ）］×240秒／1°，化简为

注：我国冬至交节时刻（可变应用常数）t冬；冬至时刻太阳垂射中心点经度（可变应用常数）λ冬；冬至到实测日期的周天时刻t′冬＝t冬；测定时刻所在日期距冬至周天数t天；实测最佳时刻与周天时刻的时段tD；周天时刻地球磁场北极经度λ天；测量日最佳测量时刻tΔ；最佳测量时段tDZ；地球磁场北极纬度66.50常数（其他维度用φx，x为序数）φ；

最佳测量时刻前后理想时段t，（15′≤t≤60′）；东经和西经转换为顺时针方向360°内统一角λx（x为序号）；地球磁场北极即时地理坐标ps；冬至到实测日期周天时刻太阳垂射中心点经度数λ′冬（λ′冬＝λ冬）；地球磁场即时经度λs。

六、地球磁场有关公式应用举例

北京计时法，假设当年12月21日22时30分是冬至交节时刻，太阳垂射中心点为东经136°30′E。计划明年5月16日，在某测点A（38°1′w，φ）测定地球北极磁场从这里经过的活动情况。问最佳测量时刻t（ps经过测点上空时刻）是多少？最佳测量时段是多少？（即t＝±60′范围内）。

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

由计算结果可知：明年5月16日在A（38°1′w，φ）点测量地球磁场北极活动情况，最佳时刻是24：25，即5月17日0：25。最佳测量时段是5月16日23：25—25：25，即5月16日23：25—5月17日1：25。

七、地球受太阳风暴影响有关问题解析

（一）太阳风暴的初期现象和机理

大气层是不均匀的一团团气态质体，且是流动的；环形磁极也是不停运动的，于是在环形磁极两极的活动区域，一团团大气便切割磁力线产生感生电动势。在气团与气团首尾接近一定距离时，便进行放电。由于高空气体稀薄，应是辉光放电占主导地位，于是产生环形极光。平时太阳活动不在高峰期，光辐射正常，相应产生的环形极光较微弱。当太阳活动高峰期产生太阳风暴之际，相应的环形极光亮度大幅度加强，才会使人们看到美丽的光环，其实质是磁暴现象。

于是在地球两极附近地球磁极的活动区域，便会轮流产生高压电缆切割强磁力线现象。强大的感应电流或感生电动势，加重并远远超过电缆负荷。从而产生电暴和电缆烧毁等现象，给社会生产和人们生活造成损失。当然，太阳风暴的破坏作用远不止这些电磁现象。

（二）太阳风暴的预测和最初防灾措施

由上文“地球磁场的成因”可知，地球磁场和太阳直射点各有轨道，各有周期，且异步对应运动。因此，地球南北两极周围在太阳风暴期间某个地区或城市，每天在什么时刻或时段可能反映最强烈，可以通过相应公式计算来判断确定。

公式解读参考图

关于地球南北两极周围，在太阳风暴期间对电缆的维护，可预先装设防电暴地线。于太阳风暴期间，在地球环形磁极经过某地区或城市的时段里，便暂时停止该地供电约两个小时（从磁偏角推测），并断开所有电路，接通预设防电暴地线。待环形地球磁极运行过去后，该地再恢复供电。

为了安全起见，相关地区或城市还可以装设南北方向的一段段电线，配备感生电动势测试仪，用之测量地磁极的到来和离去。注意，这种强磁现象一旦出现，便有可能是两个脉冲高峰。为什么会有两个脉冲高峰呢？因地球环带大气层形成的环形磁极的中心部位形如空磁区域，强磁部位应在环形上。如图9所示，第一脉冲过去后，接下是环形磁极内部空磁区，再接着就是第二脉冲到来。

图9 环带大气层磁力线走向示意图

（三）太阳风暴引起的磁暴在地球两极的活动区域

太阳风暴引起的磁暴在地球两极的活动区域，由上文“地球磁场的成因”可知：应在地球南北纬约66.5度两个纬线圈上方一带。其经度角速度比太阳直射点经度角速度稍快一些。同时与太阳直射点各有轨道（前者固定圆周形，后者螺旋线形）。并且，两者所处的经圈二面角在0～180度间周期性波动。如图10所示，是某日期三个时刻两者的运动状况，在地球南北纬66.5°纬线圈上的投影。其实，环形磁极所涉及的范围应很广（从磁偏角推测）。

地球是人类的共同家园。太阳风暴引起的灾害和其他现象，首先要在地球两极通过磁暴即强极光现象、和电暴（电缆焚烧）等现象呈现给人类。但是，其巨大能量还可能会以其他能的转换形式，给人类造成损失。如果电暴现象能用较简单易行的方法和措施进行有效防范，最大限度降低地球两极附近电力系统损失，无疑会提高人类下一步的抗灾能力。地球两极约66.5度纬度沿线附近的城市和地区，可根据所在地的地理坐标，用公式计算，制定出太阳风暴引起的磁暴和电暴可能发生的时刻表，这样，就有可能提前做好本地区供电系统的防护工作。简易防护方法如图11所示，以供强磁极经过某地前后能即时停电和供电，减少停电时段，提高安全系数。

图10 地球环形磁极运行示意图

图11 电缆防电爆示意图

［1］刘男.地球概论［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，胡盘新.普通物理学［M］.北京：高等教育出版社，1990.

［4］王水，方励之.太阳风中的大尺度漩涡波［J］.中国科学，1979（04）.