地球磁场来源之谜
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◎地球磁场来源之谜
地球磁北极（N）极处于地理南极附近，磁南极（S）极处于地理北极附近。磁极与地理极不完全重合，磁偏角11.3度。赤道处磁场最弱，两极最强。
对于地球磁场起源，科学家们进行了多年探索。目前有两种地磁起源学说占据主导地位。
Ⅰ）旋转电荷假说
①地球虽然是电中性，但地球内部高温高压（6000K，380万大气压）使铁核成为等离子体。正电荷聚集在一层，负电荷聚集在另一层。地球旋转使正电荷与负电荷分别形成环形电流，从而产生方向相反的磁场。由于两层电荷数量相等，但旋转半径不同，电荷密度不同，旋转速度也不同，磁场强度也有差异。它们相互抵消后产生的净磁场就是地球磁场。
这一假说的问题在于，正电荷与负电荷遵循同性相斥异性相吸法则，为什么同性电荷会在相互排斥之下还能自动聚集到一起？这与它们的天性不符。
②另一种假说认为，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球磁场的成因。
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，如果要想得到地球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。
Ⅱ）发电机学说
地球磁场是由于地球外核中熔融铁、镍的对流以及整个行星自转的科里奥利力作用所造成。当导电流体流经已形成的磁场时，会产生电磁感应及其磁场。感应磁场对原磁场有补偿作用，如此一来可维持自身电力的发电机就形成了。
地核中电流与磁场的形成，应该是地核金属物质在磁场中做涡旋运动时，通过感应的方式所发生。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。
关键是发电机效应并没有真正从头开始创建磁场而是放大、组织和维持现有的磁场。
科里奥利力是旋转球体中，因惯性造成的运动路线弯曲现象。例如，地球右侧是东，左侧是西，以逆时针自转，相当于从西向东转。地表不同纬度，具有相同角速度；但自旋半径不同，纬度越高，半径越小，线速度也就越小。在北半球中纬度向北方高纬度流动的流体，具有较大向右线速度。到达具有低线速度的高纬度时，由于惯性，仍然具有较大的向右线速度。这使流体会比流经的地球表面具有更大的向右线速度。流体就会向右也就是东方弯曲。
地球大气流与洋流就是在科里奥利力作用下发生弯曲，产生涡漩。地核内的液化等离子体也会进行对流，受到利里奥利力作用产生涡漩，形成闭合回路。
地核分为不同层，不同层之间的自转角速度并不相同，存在较差自转。见下图10-50所示：
图10-50 地球分层
实心的内核的旋转速度比地表快一点，旋转一周的时间比表面的短几秒。每层靠内侧旋转得较快，靠外侧旋转得较慢。
一个正负电荷组成的偶极子是电导体，具有一种很酷的特性：会拖曳磁场。偶极子通过液体外核。整个核心与地球一起旋转，磁场也会旋转。越靠近中心旋转越快。结果，起始磁场围绕旋转轴缠绕成环。
这些导电材料流被科里奥利力扭曲成螺旋状，这些流动抓住了环形磁场并将其进一步扭曲，形成许多小循环。这些环形成围绕地球旋转轴的磁管，然后又产生环形电流。环形电流产生磁场，加强原有磁场。
铁质流体在磁场中形成涡旋回路，磁通量发生变化，发生电磁感应，产生涡旋电流与感应磁场。感应磁场对原磁场进行增强。
发电机理论缺点是：
⑴很难解释地核中的这种铁质流体如何形成闭合圆形回路？
海洋的热对流确实会产生涡旋回路。但那是在全局上的情况。在局部，洋流是开放式，并不会形成局部回路。
大气对流中形成涡旋的原因比较复杂。科里奥利力确实是大气涡旋形成的原因之一。但地核处并不会真的存在科里奥利力。因为要产生此力，要求流体在流动时，经过处环绕地轴的转动半径不断变化。地表是球形，流体从地表流过，当然符合这一条件。但地核处不具有球形表面。流体在地核处向北方流动，并不会沿着球形面运动，这里没有自然形成的球形面。仍然根据惯性法则，沿着直线向北方流动，环绕地轴的转动半径不变，不会产生科里奥利力。
原子核外电子会自动环绕原子核形成闭合回路，是因为受到始终垂直于运动方向的电力作用；自由电子在磁场中流动时会进行环形运动，是因为受到始终垂直于运动方向的磁力作用。
一条河流从高处向低流去，从来不会流完一圈，又自动回到原点形成河流闭合回路。因为河流从未受到始终垂直于其运动方向的外力作用。铁质流体在地核对流时，为什么会在局部自动形成回路？并没有合理机制来解释。
⑵与楞次定律、电磁感应定理不符。
感应电流产生的磁场一般会削弱原有磁场。除非是原磁场远离环形线圈。但铁质流体流动形成线圈，显然是使原磁场磁通量增加，相当于原磁场在靠近铁质环流线圈。感应磁场不但不会加强原磁场，反而会削弱之。
⑶无法解释初磁场来源。铁质环流要想产生感应电流，需要地球具有初磁场。但初磁场又是怎么来的呢？得不到合理解释。
科学家们已掌握了地球磁场的分布与变化规律，但是，到目前为止，对于地球磁场的起源问题，学术界却一直没有找到一个令人满意的答案，无法建立可信的动力学行星磁流体发电机模型。
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◎地球磁场来源
地球内核高温高压，铁原子处于等离子态。但带正电的铁原子核与电子并不会自动分成两个层级。它们仍然是混合在一起。等离子体原本就应该是正负离子混杂无序。根本不可能发生相互排斥的同性离子主动聚集在一起这种情形。
地球自转，使正离子与电子绕地球自转轴公转，形成环形电流，进而分别产生轨道磁场。但由于正负电荷总量相等，电性相反，公转半径相同，这使两个轨道磁场大小相等，方向相反，相互抵消。
那么，地球磁场到底起源何处？
答案是：来自于电荷的自旋磁场。
质子与电子轨道磁场强度确实相等，方向相反。但它们的自旋磁场并非如此。
⑴带电粒子质量与自旋磁场强度成反比。质量越大，自旋磁矩与自旋磁场强度就越小，就象是身体越笨重，转动起来就越不灵便一样，产生的自旋磁场自然就越小。电子质量比质子小1836倍，却拥有与质子完全相等的电荷，因此拥有更强的自旋磁场强度，是质子的1836倍。
质子小磁铁与电子小磁铁组成的磁偶极子，自旋磁场方向需相反。这样每个小磁铁N极指向就与另一个小磁铁磁力线方向相同。与此类似的是指南针磁场方向与地球磁场方向相反。指南针N极指向地球北方，地球磁场方向N极指向地球南方，N极发出的磁力线方向才指向地球北方，与指南针N极方向相同。
在地球自转时，质子、电子形成的轨道磁场方向相反，强度相同，相互抵消；它们的自旋磁场方向相反，强度不同，相互部分抵消后，剩下的自旋磁场强度就是偶极子的磁场强度。
本来，正常情况下质子与电子自旋磁场方向排列杂乱，并无方向，多个原子组成的物体不应表现出具有磁性。但地球在自转，中心等离子体中的质子与电子分别不可避免地环绕地球自转轴形成环形电流，各自产生轨道磁场。尽管两个轨道磁场相互抵消了，但它们却影响了各自自旋磁场的方向。
Ⅰ）正常情况下，电子的自旋磁场应与其轨道磁场方向相反。因为电子自旋磁场比其轨道磁场大得多。应该是电子轨道磁场方向去适应电子自旋磁场的方向，与自旋磁场方向保持相反。而非电子小磁铁做为轨道磁场内部的存在，与轨道磁场方向保持一致。
不过，实际情况中，往往是先确定了电子轨道磁场方向，再去确定其自旋磁场方向。两个磁场之间具有磁扭力，一方指向变化了，别一方指向就会随之变化，始终保持相反方向。
当电子绕原子核进行环形运动时，电子轨道半径比绕地球自转轴公转时要小得多，公转速度要快得多，轨道电流强度自然要大得多。轨道磁场强度也要高得多。但依然只有电子自旋磁场的0.1倍。可见，两种不同情况下（无论电子是绕原子核公转还是绕地轴公转），电子自旋磁场均远强于电子轨道磁场。
只要电子产生了轨道磁场，其自旋磁场方向也就随之确定了，与其轨道磁场方向相反。
Ⅱ）正常情况下，质子的自旋磁场与其轨道磁场方向有相同与相反两种可能。因为质子自旋磁场与其轨道磁场哪个更大还无法确定。
电子自旋磁场强度比其轨道磁场强度高得多，质子的情况是否会与此类似？不一定，因为质子自旋磁场只有电子的1/1836，质子轨道磁场却与电子轨道磁场相等，所以质子自旋磁场与其轨道磁场差距并不很大。谁占据优势还不好说。
⑵根据以上情况，可以得到结论：
电子与质子组成电子·质子磁偶极子，环绕地球自转轴逆时针公转。电子、质子轨道磁场方向相反，大小相等，相互抵消。用右手螺旋法则判断，电子轨道磁场N极朝下。电子自旋磁场与其轨道磁场方向相反，N极朝上。质子自旋磁场方向不确定，N极有可能朝上，也有可能朝下。
质子自旋磁场N极朝下时，与电子自旋磁场方向相反，两者相互抵消一部分。由于电子自旋磁场强度是质子的1836倍，抵消后磁偶极子还有相当大的剩余磁场，N极朝上。
质子自旋磁场N极朝上时，与电子自旋磁场方向相同。两者相互叠加增强。磁偶极子磁场N极朝上。
地球内核铁质等离子体拥有数量相同的电子与质子，可看作是无数个电子·质子磁偶极子混合体。每个磁偶极子均在地球自转时产生N极朝下的磁场。它们的磁场叠加在一起，形成N极朝上的地球磁场。
问题来了，地球内部磁场N极朝下，位于地球南极。这与理论推出的情形相反。这是什么原因？
原因是一些特殊情况下，地球磁极会发生翻转。正常情况下，地球磁场应是N极朝上。磁场翻转后，N极朝下，成为现在的地球状态。
天体磁场大小，有两个决定因素。
Ⅰ）天体内核等离子体电荷数量。内核等离子体电荷数量越大，磁场强度就越大。
地球其它原子，虽然也在绕地轴公转，但其内部带电粒子并不会形成能产生磁场的电流。只有地核处等离子体才能在绕地轴公转时形成环形电流，从而产生磁场。这是什么原因？
地核处的等离子体与普通原子在形态上有很大区别。地核外高温高压（6000K，最高可达380万个大气压），铁原子全部变成离子态，紧紧压在一起，形成紧密离子体。这样的等离子体只要开始绕中心旋转，就象是电流在流动。即便旋转角速度相当慢，但电流的速度却好似非常快。
这就象导体通过自由电荷导电，并非电荷在电场中漂移速度达到了光速，而是因为一旦通电，所有自由电荷就会迅速排列起来进行漂移，传递电能。尽管漂移速度只有2E-5m/s，比蜗牛还慢，但电能的传递速度却达到光速。
地球内核的等离子体紧紧压在一起，全部串连起来，形成了环形回路。它只要稍微旋转一下，就相当于电流瞬间环绕地球跑了一圈（包括正电荷组成的正电流，也有负电荷组成的负电流）。地球自转速度虽慢，却能在地核处产生明显的环形电流效果，从而产生明显轨道磁场。
尽管正负两组电流的轨道磁场方向相反，大小相等，相互抵消，但没关系。因为它们唤醒了电荷的自旋磁场。只有达到一定强度的轨道磁场，才能对电荷的自旋磁场方向进行重新排列，使自旋磁场指向变得整齐划一，从而产生较为明显的地球磁场。
非等离子体形式的普通原子，无法在地球自转过程中产生环绕地轴的轨道磁场。这些原子空隙明显，地球旋转时，它们无法传递任何电流信息。也就无法形成轨道磁场，无法促进电荷自旋磁场的整齐排列。
就象一段环形导体，中间却有很多空隙间断或绝缘片段。通上电流后，绝缘片段上没有自由电荷来传递电流。这段导体通电后，当然无法产生磁场。
一些低质量天体，内部温度压强较低，无法形成等离子体，或等离子体质量很小。这种行星就不会产生磁场。月球内部其实中空，不存在等离子体，故没有磁场。火星质量较低，中心无法产生有规模的等离子体，也没有磁场。水星之所以有磁场，是因为它靠近太阳，内部温度较高。内核产生了较多等离子体。冥王星质量低，还远离太阳，内部较凉，故不存在磁场。
Ⅱ）天体自转速度。自转速度越快，磁场强度越大。
地球自转速度越快，就意味着内核等离子体电流强度越大。就能更有效排列电荷自旋磁场，使之更加整齐有序，从而产生更大的磁场。自转速度如果很慢，等离子体电流强度与产生的磁场强度均极弱，对电荷自旋磁场的排列能力很差。只有小部分电荷自旋磁场得到排列。其它电荷自旋指向仍然较为杂乱无序，无法形成明显的磁场。
中子星之所以具有高达数十亿T的超强磁场，就是因为它极高的自转速度。自转周期最低的只有几毫秒，长的也不过是几秒。
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◎磁极翻转
电荷的自旋磁场应与其轨道磁场方向相反。正常情况下，近水楼台先得月，电子轨道磁场会影响电子自旋磁场方向；质子轨道磁场会影响质子自旋磁场方向。电子只管电子自旋磁场的方向，质子只管质子自旋磁场的方向，似乎井水不犯河水。
电子·质子磁偶极子在绕地轴旋转时，正负电荷产生的轨道磁场其实并没有什么区别，会同等影响电荷自旋磁场方向。质子轨道磁场也不可避免会去影响电子自旋磁场。只是质子轨道磁场无法在强度上占据优势，电子轨道磁场占据了先天距离优势，所以质子无法施展雄心真的改变电子自旋磁场方向。
但情况一旦发生变化，质子的雄心就会有实现的可能。
如果地核等离子体中被外层额外注入了很多质子，等离子体带明显正电，产生的质子总轨道磁场强度上升，高于电子总轨道磁场强度。等离子体轨道磁场强度不再为0，而指向质子轨道磁场方向。这时电子轨道磁场就无法掌握其自旋方向控制权了。因为它已经败给了质子轨道磁场。强者掌据话语权，对电子自旋磁场方向进行重新安排，使之与质子轨道磁场方向相反，与电子轨道磁场方向相同。
电子自旋磁场方向就是地球磁场方向，一旦发生改变，地球磁场就发生磁极翻转。N极从南方移到北方。从此指南针S极不再指向南方，而是指向北方。
这就象两个国家，都渴望保持自身文化传统，并试图去影响同化对方。当两者旗鼓相当时，都无法影响对方，但能保住自已的文化不变色。当一方实力上升，另一方就处于弱势，只能拱手交出文化控制权，任由对方同化改变自已的文化传统。
磁极翻转对地球而言并不罕见。物理学家发现，铁元素在高温（高于居里温度）下失去磁性，低温下拥有磁性。拥有磁性时，铁原子在地磁场作用下会向着一个方向排列。因此根据化石中铁原子排列方向，可以推断出当时地球磁极方向。从不同时期化石中发现，不同期的铁原子排列方向并不相同，证明地球磁场方向经常发生变化。
地球磁极平均20万年就翻转一次。但有些时期会数千万年都不发生变化，白恶纪恐龙时期就是如此。迄今为止地球的南北磁极已经有78万年没有动静了。
一些特殊原因会造成地核等离子体的质子轨道总磁场强于电子轨道总磁场，从而产生磁极偏转。如一批质子被注入地核，或一批电子被拉出地核等，这些事件使地核带上正电，产生正电轨道磁场。
地核不带电时，电子轨道磁场N极朝下（南方），电子自旋磁场N极朝上（北方）。故将地球磁极N极朝上视为正常状态。
地球现在的磁极就是非正常态下的磁极形态，是地核带上正电的产物。地核带正电，产生N极朝上的磁场；电子自旋磁场方向被调整为N极朝下。这一状态已经持续78万年。
什么时候地球磁极会恢复为N极朝上的正常状态呢？电子自旋磁场方向要翻转，需要一定的磁扭力。当地核正电消失，成为电中性时，电子轨道磁场强度与质子轨道磁场相同，由于距离电子更近，会占据一定优势。但这个优势很小，产生的磁扭力不足以使电子翻转而改变电子自旋磁场。只有一批电子被注入地核，使地核等离子体带上负电，产生明显的负电磁场，N极朝下。电子自旋磁场才会被重新排列，翻转身形，使N极朝上，恢复正常状态。
现在地核负电数量有所增加，但还不够，无法使磁极翻转。
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◎太阳磁场与太阳黑子的形成
太阳磁场在两极区域比较显著，而不象地球磁场那样完整。极区的磁场强度只有1～2高斯。太阳磁场的强度经常变化，甚至极性会突然转换。这种情况在1957～1958年和1971～1972年曾两次观测到。
作为恒星，太阳磁场与地球磁场的形成机制是否相同？
太阳的磁场来源是一个尚未解决的难题。现有学说可分为两类：
⑴继承磁性学说
有的磁性是几十亿年前形成太阳的物质遗留下来。理论计算表明,太阳普遍磁场的自然衰减期长达100亿年，因此，磁性可能长期留存。
但这只是理想情况。磁性并非来自磁荷，而是源自电荷的环形流动。由于原子中电子的绕核公转形成的磁场各向同性，相互抵消。这种电荷环形流动被排除。那就需要电荷以其它方式进行环形流动。磁性要继承，就需要在太阳形成前后，电荷能稳定进行环形流动。但现在找不到除了电子绕原子核进行轨道运动之外，能使电荷稳定进行环形流动的方式。磁性继承就成为空中楼阁，无法实现。
⑵发电机学说
太阳的磁场是带电物质的运动使微弱的中子磁场得到放大的结果。既然太阳的物质绝大部分是等离子体，并且经常处于运动状态，那就可以利用发电机效应来说明关于太阳磁场起源中的若干问题。
太阳磁场理论的一个重要课题是太阳活动周的形成机制。现得到公认的是较差自转理论。它认为太阳的较差自转（太阳自转）使光球下面的水平磁力线管缠绕起来，到一定时候，上浮到日面，形成双极黑子。由于大量的双极黑子磁场的膨胀和扩散，原来的普遍磁场被中和掉了，接着就会出现极性相反的普遍磁场。这样就可以解释太阳的22年磁周。
发电机学说在很多方面无法自圆其说。其缺点在前面已经有过阐述。
现有理论对太阳磁场来源的解释并不令人满意，有各种缺点。
太阳磁场与地球磁场来源其实相同：内部等离子体在绕太阳自转轴旋转时形成电流，产生的正负电荷轨道磁场虽然相互抵消，但唤醒了电荷自旋磁场，使它们得到整齐排列。质子自旋磁场与电子自旋磁场相差甚多，两者方向即便相反，也会产生明显净磁场。太阳因此产生较强磁场。
太阳黑子磁场强度达0.3T，比太阳两极磁场强百倍。为什么会出现这种现象？
太阳内部均是等离子体，每个带电粒子本身具有自旋，是小磁铁。在太阳磁场作用下，会依照太阳磁力线方向排列起来。小磁铁磁场会使太阳磁场强度得到提升。就象地表指南针N极指向地球磁力线方向，指南针磁场方向与地球磁场在这个位置上的磁场方向相同，指南针磁场使地球磁场的强度在这个位置上得到叠加增强。
正常情况下，太阳内部等离子体分布均匀，带电粒子小磁铁对太阳磁场的叠加增强各向同性，每个位置增强幅度差不多。
太阳系中有一些大质量行星，其引力对太阳内部物质会产生干扰。例如，木星运动到距太阳较近位置时，太阳带电粒子受到木星引力作用，会汇集到一处。这就是潮汐力的产生原因。此处带电粒子密度比其它地方大，使太阳磁场在此处的强度得到较大增强。
木星单打独斗还不会对太阳造成明显影响。地球、金星如果在太阳另一侧，产生的潮汐力就会抵消到木星施加的影响。
如果木星与地球、金星联合起来，情况就不同了。
太阳黑子之所以会形成11年周期，是因为金星、地球、木星这一颗行星平均11年会在太阳一侧排成一条直线，形成明显潮汐力。太阳内部很多带电粒子受到潮汐力作用，集中到太阳的一侧。这些粒子小磁铁在太阳磁场作用下，依照太阳磁力线方向排列起来。众多小磁铁的磁场方向与太阳磁力线方向相同，有效增强太阳磁场强度。这个位置会达到0.3T强磁场。
太阳表层下某处的强磁场会减弱从这里发射的电磁辐射强度与带电粒子数量，从而在太阳表面形成低温区域，产生黑子现象。太阳黑子处温度4000K，比周围温度6000K要低，因此看起来要暗很多。
