各行星磁场的形成及其变化规律探讨

　　摘    要：　现有的行星磁场的起源和演化理论认为行星磁场是由行星内核中导电流体的流动产生的，但这种假说无法解释行星磁场空间分布的不均匀性和随时间不断变化的特性。于是，作者研究了太阳系行星的内部结构与外部环境，发现了这些行星磁场的形成及其变化规律。

　　关键词 :     水星;金星;地球;火星;木星;行星磁场;

　　Abstract：　The existing theories on the origin and evolution of planetary magnetic field believe that the planetary magnetic field is generated by the flow of conductive fluid in the planetary core, but these hypotheses can not explain the inhomogeneity of the spatial distribution of planetary magnetic field and its changing characteristics with time.Therefore, the author studied the internal structure and external environment of the planets in the solar system, and found the formation mechanism and variation law of the magnetic field of these planets.

　　Keyword：　Mercury; Venus; Earth; Mars; Jupiter; planetary magnetic fields;

　　行星磁场是指行星周边的磁场，但是比较有影响的行星磁场起源说都是沿袭地磁场的内部发电机学说，即认为行星磁场是由核中导电流体的流动产生[1,2]。但这种假说存在严重的缺陷，无法解释行星磁场空间分布的不均匀性和随时间不断变化的特性。于是，作者重新分析了地球、水星、金星、火星、木星等行星的形成与演进过程及其内部结构与外部环境，找到了这些行星磁场的形成原因及其变化规律。

　　1 、地磁场的形成与变化

　　关于地磁场的成因，人们已提出了多种假说，其中比较有影响的是地球内部发电机说，但该假说仍然无法解释地磁场空间分布的不均匀性和随时间不断变化的特性，因此存在严重缺陷，未能成为真正科学的理论。为此，作者重新分析了地球的形成与演进过程及其内部结构与外部环境，找到了地磁场的成因：地球两极的大气涡旋可产生螺旋电流，从而在两极形成一系列方向相同的偶极磁场，叠加起各地云层大气电路形成的局部非偶极磁场，便产生了当今的地磁场。在月球绕地球的运行过程中，月球对两极涡旋都有万有引力作用，导致极涡偏斜，便产生了磁偏角[3]。

　　由于产生偶极磁场的极涡位于地球两极，因此地磁场的强度在北美、西伯利亚和南极大陆附近达到最大值，而在靠近赤道的太平洋和南美洲中部达到最小值。这就说明地磁场空间分布的不均匀性。

　　另外，在月球绕地球的运行过程中，正如月球能引海潮那样，月球对极涡也有万有引力作用。每当月球靠近极涡时，它能使极涡倾斜、拉伸、剪切或破裂，甚至拖出一些子气旋，使极涡产生的偶极磁场发生变化。特别是当地球处于冰期时，有些拖出的子气旋可立即变成气流方向相反的气旋，从而可产生极性相反的偶极磁场，当这些极性相反的偶极磁场成长为总强度大于原有极涡的偶极磁场强度时，地磁场就发生倒转。

　　此外，有些被拖出的子气旋可能伴随平流层的气流沿月球引力方向移动，这些子气旋遇到海洋表面的高温气流可立即加强为台风或飓风。由于这些台风或飓风也会产生一定强度的磁场，伴随着太阳自西向东快速自转和地球自西向东自转，在太阳的引潮力作用下，这些风暴磁场有西漂的现象。综上所述，地磁场是随时间的变化而变化的。

　　2 、水星磁场的形成与特征

　　水星是太阳系八大行星之一，而且是距离太阳最近的行星。但其质量只有3.302×1023kg, 和一些卫星的质量差不多，所以它只能吸引非常稀薄的大气，而且其自转速度非常慢，它理当不存在磁场。然而20世纪70年代美国航天局发射的水星探测器Mariner 10飞越水星时发现水星确实存在一个很弱的磁场，这个磁场也像地磁场那样是一个偶极磁场，围绕在水星周围，但北半球的磁场比南半球的磁场强得多。由于水星磁场与地磁场很相像，极性也相同，即水星磁场的南极在水星的北半球，其北极在南半球。于是有人认为，水星磁场的成因应该与地磁场的成因类似，即星核中导电流体的流动产生了水星磁场[4]。但这样的假说无法解释水星两个半球磁场的差异，令人难以置信。

　　既然水星的内源磁场假设不能自圆其说，我们只能从水星的外部环境来探讨水星磁场的成因。然而水星的质量与大卫星的质量差不多，难以吸积大量的气体分子来形成厚实的大气层，特别是，水星白天气温非常高，平均地表温度为179℃,最高为427℃,水星大气层中缺乏水分子，因而水星只有极稀薄的大气层。另外，水星自转速度太慢难以形成大气涡旋，所以无法形成作为水星磁场主体的偶极磁场。因此，水星磁场只能依赖星际环境来产生。事实上，水星是绕太阳运行的行星，它也是距离太阳最近的行星，其近距离点离太阳46001200km, 远日点离太阳69816900km。由于水星只拥有一个极其稀薄的大气层，在太阳的照射下水星表面温度可高达427℃,在水星绕太阳不断运行过程中，水星内部积聚了大量的热能，致使水星内部物质发生熔融分异，形成由金属和金属化合物组成的星体。水星探测数据也表明水星由大约70%的金属和30%的硅酸盐组成，所以水星是一种易磁化的星体。由于太阳磁场异常强大，在太阳风的作用下太阳磁场可拉伸到比海王星轨道还远的地方，因此水星完全被太阳磁场包围着，已被太阳磁场磁化，如图1所示。

　　图1 水星被太阳磁场磁化

　　图2 水星绕太阳的公转轨道

　　然而，水星的轨道偏心率是太阳系行星中最大的，它与太阳的距离变化很大。当它在近日点时，仅距太阳46001200km, 当它在远日点时，距离太阳698166900km, 如图2所示。在水星绕太阳公转的每个周期中，只在近日点附近受到较强太阳磁场的磁化，而且当水星运行到近日点附近位置时，水星北半球比南半球受到更多的太阳电磁辐射，这样就导致水星北半球的磁场强于南半球的磁场。

　　3、 金星磁场的形成与特征

　　金星也是太阳系八大行星之一，按照行星离太阳的距离由小到大的顺序排序，它是仅次于水星位列第二的行星。另外，它是距离地球最近的行星，它和地球一样都是类地行星，而且其质量和大小都和地球相近，所以按理说，它也应该和地球一样有较强的磁场。然而事实并非如此，地球有着比较强烈的磁场，而金星几乎没有磁场，只有极微弱的磁场。这是为什么呢?这是包括天文学家在内的许多科学家一直在寻求解答的问题[5]。

　　科学家之所以一直没能解答这个问题，是因为他们都认为金星磁场是由液态核对流产生的，而没有想到行星磁场是由外部大气环境形成的。虽然金星也像地球那样有浓厚的大气层，自转周期为243日，比地球自转周期为1日慢得多，所以金星的自转速度太慢，根本不能形成极地涡旋，因而无法形成偶极磁场。另外，虽然金星也靠近太阳，但它离太阳的距离为1.082亿km, 是水星近日点距离的2倍多，所以太阳磁场对金星的磁化作用很小，因此金星的磁场极其微弱甚至为0。

　　4、 火星磁场的形成及其变化

　　火星也是太阳系八大行星之一，其质量约为地球质量的19,从结构上看，它和地球同属类地行星。按理说火星的磁场应该维持在地球磁场的10%～15%,但火星探测器检测到火星磁场的强度仅为地磁场的0.1%～0.2%,而且只在最古老的陨石坑里才发现微弱的磁场，这些磁场可能是早期磁场的残余。火星磁场的这种奇异特性令人迷惑不解。对于火星磁场的形成与演变，有些科学家认为，火星和地球一样，火星曾经存在的磁场也是行星内部的导电流体的对流运动产生的，但这种猜想没有证据。对于火星磁场的消失之谜，有人提出了另一个解释：由于火星地幔遭到小行星的猛烈撞击，温度骤然上升，甚至变得比地核的温度还高，它就无法对地核物质起到冷却作用，于是对流被迫停止，因而对流引起的地磁场也就消失了[6]。但随着时间的推移，火星地幔的温度又会回降，行星内部的对流运动又会继续，火星磁场又会恢复，怎会永久地消失呢?可见这种小行星撞击火星导致火星磁场消失的理论也是不可信的。

　　现有的关于火星磁场形成的假说之所以不能自圆其说是因为它们都是内源假说，没有从火星的外部环境去探讨火星磁场的成因和演化。事实上，在火星形成初期火星能够吸收包括二氧化碳和水分子在内的多种气体分子，形成有一定厚度的大气层。由于火星远离太阳，其表面温度很低，特别是两极的温度常常低于冰的熔点-78℃,因此大量的二氧化碳分子和水分子被吸附在火星极地，形成厚度为几公里的冰盖，如图3所示。受到如此厚实冰盖的影响，火星两极低空中的空气都是异常寒冷的空气。

　　图3 火星的冰盖

　　图4 火星极地涡旋

　　由于火星自转离心力的作用使火星成长为赤道隆起、两极稍扁的球体，使火星两极位置的半径小于赤道及其他位置的半径，而万有引力和距离的平方成反比。当火星快速自转时，产生的强大离心力使赤道和低纬度地区上空的云气容易远离其旋转轨道而沿着螺旋轨道向南极或北极移动。由于极地位置的万有引力大于其他位置的万有引力，因此当云气移到极地上空时容易被极地的万有引力吸引住，云气吸入冷空气后便凝结成厚重的云团而下沉。许多坠向极地的云团随着火星的自转便形成一股很强的围绕极地旋转的环流，即“极地涡旋”,如图4所示。这种极地涡旋在夜晚能够形成螺旋电流，产生具有一定强度的偶极磁场。在火星形成的最初5～10亿年里，两极涡旋长时期存在，其产生的偶极磁场对地表有长期的磁化作用，从而产生了火星表面磁化的地壳。但在白天极地受到太阳的照射，两极空气难以凝结成水珠，使极地涡旋难以形成强大的螺旋电流，从而无法产生可探测到的明显磁场和极光。正因为火星在夜晚和白天的表象不同，因此火星自古就被称为“荧惑”。

　　在火星的形成过程中，火星一边绕太阳旋转，一边吸收着轨道附近的微尘和气体，使火星质量逐渐增大。随着火星质量和体积的不断增加，火星内部的热能不断积聚，包括火星高速公转引起的气流摩擦产生的热能，火星自身引力收缩过程产生的热能，原始火星内部化学物质反应产生的热能。正是由于火星热能的积聚，使火星地表下形成了岩浆库，产生了剧烈的岩浆活动，使得火星地表下有足够的热量，将火星极地冰盖很大部分融化成水。火星两极冰盖的消融，使极地涡旋大大削弱，磁场也相应削弱。特别在火星北部有大规模熔岩活动的低地或火山区，由于冰盖消融了许多，极涡无法形成，偶极磁场也随之烟消云散。

　　另外，即使火星上仍有微弱的大气涡旋产生，但火卫一和火卫二的质量太小，它们对火星两极气旋的万有引力作用也太小，无法倒出气旋中的冷气流来覆盖大气层，因而无法将火星上蒸发起来的水汽和其他气体冷凝成液滴降回火星表面，致使火星从太空中吸收的水分子和其他气体分子容易逃回太空，因此火星质量增长缓慢，地表下的热量难以散发，极地冰盖很难增大，火星磁场也很难增强。只有当火星及其卫星成长到足够大时，其上的大气涡旋才能足够强大，火星卫星才能倒出大气涡旋中的冷气流来覆盖大气层，从而将火星上蒸发起来的水汽和其他气体冷凝成液滴降回火星表面，才能保持经久不衰的磁场。

　　5 、木星磁场的形成及其变化规律

　　现有的行星磁场理论认为，木星内部有一个类似地磁场的磁场，是液态金属氢搅动形成的。但这一假说无法解释木星磁场的许多奇怪性质，特别是美国宇航局朱诺号飞船发现的木星磁场是随时间变化的[7,8,9]。因此，木星磁场是内部磁场的假设是难以置信的。因此，作者重新分析了木星的形成演化及其内部结构和外部环境，发现了木星磁场的形成和变化规律：木星南北两极的极涡可以产生螺旋流，然后在木星的北极和南极分别形成一个合成的磁偶极磁场。但是木星有许多巨大的卫星，它们不断地围绕着木星旋转，会对木星磁场产生巨大的影响。当一颗巨大的木星卫星接近极涡时，它会使极涡倾斜、拉伸、剪切或受到破坏，甚至从极涡中拖出一些子气旋，而且一些子气旋可能会变成气流方向相反的气旋。因此，木星卫星的破坏不仅会削弱原气旋产生的偶极子磁场，还会产生一些反向磁场，抵消部分原磁场。当这类木星卫星旋转足够多次时，产生的反向磁场叠加起来会抵消原来的磁场，最终使木星磁场反转，如图5所示。因此，木星磁场的北极在地理北极附近，木星磁场的南极在地理南极附近，即木星磁场的方向与地球磁场的方向相反[10]。

　　图5 木星极地涡旋及其周围的反向子气旋

　　参考文献

　　[1]Schubert G,Soderlund K M. Planetary magnetic fields:Observations and models[J]. Physics of the Earth & Planetary Interiors,2011,187 (3-4):92-108.

　　[2]Jones,Chris A. Planetary Magnetic Fields and Fluid Dynamos[J].Annual Review of Fluid Mechanics ,2011,43 (1):583-614.

　　[3] Cuixiang Zhong.The Origin of Geomagnetic Field as well as the Generation of Geomagnetic Declination and the Cause of Geomagnetic Reversal[C].第十四届中国国际地球电磁学术研讨会论文集, 2019-08-29.

　　[4]GOLDSTEIN,M.,NESS,N. & WASILEWSKI,P.Mercury's magnetic field.Nature 262,741 (1976)-ttp://n-s. doi.org .forest. 99r1.xyz/10.1038/262741a0.

　　[5]Nimmo F.Why does Venus lack a magnetic field?[J]. Geology,2002,30 (11):987-990.

　　[6]Roberts ,J.H. Lllis,R.J.Manga, M.. Giant impacts on early Mars and the cessation of the Martian dynamo[J].Journal of Geophysical Research Planets , 2009-04-23. .

　　[7]Jones Chris . Jupiter's magnetic field revealed by the Juno spacecraft[J].Nature,2018.

　　[8]K.M. Moore,H.Cao,J. Bloxham,D.J. Stevenson,J.E P.Connerney & S.J. Bolton.Time variation of Jupiter's internal magnetic field consistent with zonal wind advection[J].Nature Astronomy,vol.3,pp.730-735 (2019).

　　[9]J.Wicht;T.Gastine;L. D.V.Duarte;W. Dietrich. Dynamo action of the zonal winds in Jupiter[J] Astronomy & Astrophysics ,2019-09-19.

　　[10]Cuixiang Zhong.Formation and Change of Jupiter's Magnetic Field[J].American Journal of Astronomy and Astrophsics.Vol.8,No 2,2020,pp.35-38.