地球磁場—人類賴以生存的必須環境—第九章 人類和地球磁場

第九章 人類和地球磁場

在地球的上空,地球磁場有效地阻止了來自太陽風中高能帶電粒子的轟擊,從而保護了地球生命,使地球進化成生命的樂園。由此可知在地球演化史上,地球磁場的作用就如同和水、空氣和陽光一樣對生物的進化來說有著舉足輕重地位。

地球磁場的磁場強度雖然很低，但它是地球上人與生物的一種生物物理環境，生物在長期的演化過程中，已經適應了這一物理因素，雖然沒有什麼感覺。但是對於生物的生存和發展，有著離不開地球磁場這一重要環境，當地球磁場的強度發生明顯改變時，它則會影響生物的活動，甚至是生物的生命活力。地球磁場與人的生命活動及生活活動有著密切的關係，當地球磁場發生明顯變化時，有些疾病的發生率就會增加，或者還會影響生命病況的細微變化。

§1 地球磁場對人類生活的影響

太陽系引力對地球產生的作用，是牛頓揭示的，有人曾提示：如果地球立即停止轉動，那將會造成怎樣的災難？太陽光給予地球生物的幾乎就是生命體的全部過程，因為我們有「萬物生長靠太陽」的成語。關於太陽風，只是到了上個世紀中葉，當我們走出地球之後，我們經過空間探測才確認它的存在。在本書前面的章節，我們知道太陽風造就了地球的磁場系統，太陽風不像引力和陽光那樣對地球的影響是基本穩定的，它有著多方面的變化。它劇烈的改變會給地球或乃至地球生命造成巨大的影響。

一、空間天氣事件對人類生活的影響

最近十多年以來我們知道，地球磁場的變化，基本都是空間天氣的波動造成的。空間天氣研究領域大體可分為：(1)太陽／太陽風；(2)磁層；(3)電離層／熱層系統。研究的重點是放在對預報空間天氣變化起關鍵作用的物理過程方面，主要涉及：太陽／太陽風——如何診斷日冕物質拋射、日冕物質拋射的形狀、速度、質量和磁場結構；太陽耀斑活動及其太陽活動先兆的識別；太陽質子事件的起源以及其在行星際介質中的傳播；太陽輻射(太陽紫外(uv)、極紫外(EuV)、軟x射線和無線電波段)的變化以及對電離層和熱層狀態的影響；太陽風在日冕中的加熱和加速機制以及太陽活動(耀斑、日珥和日冕物質拋射等)所產生的瞬變擾動和激波傳播過程等。磁層——太陽風與磁層的耦合過程、磁層中等離子體的輸運和能量增強以及磁暴和亞暴過程；帶電粒子被地磁場捕獲而形成的輻射帶粒子的空間分布和時間變化過程等；電離層／熱層．電離層電子密度結構形成與演化過程、大尺度電離層特徵日變化和小尺度等離子體密度不規則性、熱層—電離層—磁層相互作用引起的電離層閃爍、粒子沉降、電離層小尺度電場結構和大尺度靜電場及其對磁層和行星際條件變化的響應，中性大氣(熱層和中層)的化學、輻射和動力學過程及其對整個高層大氣能量和組成等的影響。

空間環境是我們研究或關心的地外現象。它涉及空間物理，空間化學，空間生命．空間材料，空間微重力等多種學科。空間物理發展到上世紀70年代，由於日地混合關係認識的提高，產生了日地物理學；90年代，隨著日地物理學的發展，人們日益增長的興趣投向了空間天氣，以減輕和避免空間災害性天氣帶給人類活動的損失。很自然，空間天氣學最近才提到人類科學發展的日程上來。

空間天氣定義為：太陽上和太陽風，磁層，電離層和熱層中影響空間、地面技術系統的運行和可靠性以及危害人類的健康和生命的狀態(conditions)。《空間天氣學》則是空間天氣(狀態或事件)的監測、過程研究、建模、預報、效應、信息的傳輸與處理、對人類活動的影響以及空間天氣服務等方面的集成，是多種基礎學科(太陽物理、空間物理、地球物理、大氣物理、宇宙線物理、空間等離子體物理、磁流體力學、數值計算、圖象處理等)與多種技術科學(信息科學、計算機科學、各種探測技術和成像技術、飛行器與環境相互作用等)的高度綜合與交叉科學，是日地物理學發展的一個新階段，它把空間災變過程的基礎研究與成災防災的社會需求相結合，是當前人類社會發展航天，通信，導航，電力，物探和輻射等高科技領域的迫切需要。

簡言之，《空間天氣學》是一門集中研究空間環境中災害性空間天氣變化規律和為人類活動服務的新學科。空間天氣是一門把日地物理科學和空間與地面的技術應用聯結在一起的正迅速發展的學科。

地球是浸泡在太陽風中的，因為空間尺度比例關係，中高層大氣和電離層結構未能畫出，主要只表現了太陽風與磁層的相互作用。地球空間系統的形成和演化是由它與太陽活動的電磁輻射以及太陽風全球結構間的相互作用來決定的。因此地球空間系統的全球結構是定量了解太陽擾動影響地球空間環境變化的基礎。這也是人們看到：相同的太陽風暴吹過地球，常有不同的響應變化發生的重要原因。地球空間系統是一個由磁層、電離層和中高層大氣組成的非線性耗散的耦合系統，它一方面要受到來自太陽的電磁輻射和等離子體物質與磁場的影響，另一方面又要受來自地球低層大氣的各種波動和人類活動乃至地形地貌的影響。

太陽不斷噴發高溫、高速等離子體，即太陽風，其速度可高達每秒1000公裡。太陽風壓縮地球磁場，把地磁場限制在一個空腔範圍內，這就是磁層。當太陽風流過磁層頂時，一部分能量、動量和質量會傳輸到磁層裡來，從而引起磁層內部等離子體的大尺度對流運動，與運動相伴隨的是大尺度磁層電場和電流。這些大尺度結構和過程表現了磁層的主要特徵，決定著磁層粒子運動的軌跡和等離子體波傳播的特性，磁層小尺度結構和過程也是在這種大尺度背景中發生的。

丹麥科學家奧斯特於1820年發現電流的磁效應，第一次揭示了磁與電存在著聯繫，從而把電學和磁學聯繫起來。為了解釋永磁和磁化現象，安培提出了分子電流假說。安培認為，任何物質的分子中都存在著環形電流，而分子電流相當一個基元磁體。運動電荷（電流）在其周圍激發磁場。電流之間的相互作用是通過磁場來傳遞的。從邏輯上分析，太陽系的行星磁場應該有相同或者近似的發生機制。這就為我們揭開磁場產生之迷指明了一個正確的方向。磁和電之間可以相互轉換，電場和磁場在廣袤的宇宙空間中如影相隨。

我們如果仔細分析就可以發現：凡是存在自己磁場的行星有個共同點——能夠導電的外殼。在地球海水是比較良好的導體，地球的導電外殼正是那廣袤無垠磁場發生的根本原因。

正是由於這個導電層的存在，使得地球圍繞太陽公轉並自轉時，切割太陽風磁場並在地球導電外殼中產生了感應電流，從而形成了行星自己的磁場。因為地球和類木行星的自轉平面和黃道平面都存在一定的傾角及導體內部結構的差異，所以偶極磁場兩極都存在磁偏角而不是和地理兩極相重合。

以往人們對地球的很多自然現象的研究，常常是把地球看成是一個孤立天體，只注意在地球的物理，化學範圍內去尋找自然之迷的答案。缺乏從整個太陽系這個大尺度看問題的自覺性。這就是迄今為止，關於地球磁場產生機理研究處於迷茫狀態的根本原因。看看與太陽活動相關現象，我們就可以理解它們之間的因果關係。

1、太陽活動與生物生長的關係

糧食始終是人類賴以生存的物質基礎，所以研究糧食產量的變化規律有著重要的意義。從已經知道的小麥等糧食產量的情況看出，在太陽活動極大年附近產量是增加，而大範圍饑荒多發生在太陽黑子極小年附近。

通過廣泛收集的許多國家的樹木樣品分析測定的結果來看，樹木年輪寬度的變化有11年周期。這表明，樹木生長速度有11年的周期變化。

2、太陽活動與人類健康的關係

流感仍是人類難以制伏的頑敵。科學家注意到，每次流感大流行時病毒的類型雖不同，但其流行的時間間隔有明顯的周期性。美國科學家分析了從1770到1979年的280年間，流感發生的情況表明，除1879年例外，其餘11次流感大流行都是發生在太陽活動最強的時間。這種變化具有明顯的22年周期。

3、太陽活動對人的神經系統也有影響

科學家們通過大量的資料的分析和研究，發現人類一些重大發明、創造和成才，也奇蹟般地存在11年或22年的周期規律。

前蘇聯科學家馬克西莫夫扎夫季奇為了證實上述規律，從百科全書中摘錄近400年來的名人誕生年代，然後編製成圖表，從中也清楚地看出，科學、藝術、文學、政治方面天才人物的出世都有服從太陽活動的周期性。比如400年中有過18次傑出人物誕生的高峰。兩次高峰之間平均間隔22年。即太陽活動周期。這決不是一種簡單的巧合，那麼為什麼人類的創造靈感與發生在太陽的各種過程聯繫在一起呢？科學們在深入探索這一相當艱巨而又迷人的大自然的奧秘。

另外，太陽活動對心肌梗塞、青光眼等的發生也有相當的影響。

4、太陽活動對地球磁場的影響

人們發現黑子周期以後，引起了世界上許多相鄰學科的科學們的注意，而且把這個變化規律用來研究地球的磁場。現在科學們已經肯定地磁場的變化以及「磁暴」，包括「急始磁暴」和「緩始磁暴」，都有周期性變化，變化的周期約11年左右。而且，磁周期起伏變化曲線與黑子多少的變化曲線是互相對應的，說明它們是相關的。

5、太陽活動與電離層騷擾

現代生活中的短波通訊，主要是依靠地球大氣中的電離層反射或折射傳播的。造成高層大氣電離的主要原因有兩個，一個是太陽輻射形成的光致電離，其次是來自太陽或別的恆星的高速粒子的磁撞電離。研究結果表明，太陽是地球大氣電離的基本源泉，造成高層大氣光致電離的是波長很短的紫外線和X射線。

太陽活動對電離層的影響以「電離層暴」和「電離層騷擾」兩種形式體現出來。它們都能影響無線電短波通訊，而且它們都有以太陽黑子活動11年為周期的長周期變化。

6、太陽活動與氣象水文的關係

地球氣象因素十分複雜，要掌握基本變化規律確實很困難。在影響氣候變化的各種因素中，太陽輻射是舉足輕重的。但是，太陽輻射的變化對地球來說是不明顯的。太陽活動影響最大的就是地球磁場，地球磁系統的變化改變高層氣壓場和氣流場的趨勢，高空大氣的變化勢必影響到對流層的天氣。

二、地球磁場的生物作用

你可千萬別小看這個地球弱磁場，它是自然界饋贈給人類最為珍貴的禮物之一。由於地球磁場能使宇宙中的高粒子偏轉，因此可以保護人類免受致命的宇宙射線的傷害。同時，地球的磁場也可排斥太陽風，從而阻止地球大氣被太陽吹走。否則，災難將降臨，地球家園將被毀滅，成為像火星一樣的不毛之地。

我們人類真的很幸運，但科學家們仍不免擔心。既然和我們很接近的火星在40億年前失去了磁場，使火星的大氣大部分被太陽風吹走，那麼，是否有一天地球也會失去磁場或磁場而面臨災難呢？因此，我們有必要好好地研究地球磁場，而為觀測地球磁場的變化，人類必須建立一個精確的地球磁場模型。

沒有地球磁場，地球生命幾乎無法存活。地球上的生命的產生和演化可以說，離不開地球磁場。候鳥的遷徙、細胞的生長。電磁是物質的基本屬性，如果沒有電磁現象，就沒有人類的思維，沒有生命。我們這裡將是一片死寂。

三、地磁系統對地球氣候系統的影響

太平洋赤道附近海水升溫的問題，由這種升溫引起的洋流。確切點說是地磁場引起的暖流。厄爾尼諾不再是局地性的洋流的季節性變化，厄爾尼諾/南方濤動指的是影響全球的連續但不規則的大氣和海洋循環變化的一種現象。厄爾尼諾開始是指中東太平洋地區海洋表面異常增溫並與低層大氣相互作用，它能產生較為顯著的天氣影響。

我們知道，地球上的絕大部分熱量來源於太陽，當太陽輻射通過大氣層到達地球表面時，其中絕大部分是被海洋吸收了。這是因為海水的熱容量非常大，比土壤的熱容量大一倍，比空氣的熱容量大3000多倍。這就是說，如果使1立方釐米的海水溫度升高1℃，所需要的熱量能使3000多立方釐米的空氣溫度升高1℃，可見海洋的確是一個巨大的熱量貯存器。據研究，海洋上層3米水深的熱容量相當於整個大氣層的熱容量。如果使地球上的全部海洋100米深水層的溫度降低0.1℃，那麼放出來的熱量就能使整個對流層的空氣溫度升高6℃左右。海水吸收了太陽輻射之後，又通過各種形式將熱量供給大氣，從而推動了大氣的運動，可以說海洋是地球上的最大熱源場。

大氣變化過程是十分複雜的，因此，氣候變化同太陽活動的關係雖然為科學界所重視，其統計結果往往只有個別地方的個彆氣候現象關係明顯。太陽黑子的變化周期中以11年周期最為顯著，11年周期是統計平均值，每次變化的實際周期長度約在7.3年至16.1年之間。德國著名氣候學家鮑爾對11年周期進行過大量研究，他發現，中歐的嚴冬大都集中在11年周期的極值附近。中歐夏季的雨量也是在極值的前兩年與最大值的後兩年明顯低於平均值。

地球周圍的大氣也是一部大發電機，雷暴是大氣中電活動最為壯觀的顯示。即使在晴朗的天氣，大氣中也到處有電場和電流。雷暴好似一部靜電起電機，能產生負電荷並將其送到地面，同時把正電荷送到大氣的上層。大氣的上層是電離層，它是良導體，流入它的電流很快向四周流開，遍及整個電離層。在晴天區域，這電流逐漸向地面洩漏，這樣就形成了一個完整的大氣電路。

地球表面帶有負電荷，而大氣中的洩漏電流約為2000A。如果大氣電荷得不到補充的話，地球表面的負電荷將在數分鐘內被中和掉。地球表面電荷明顯維持恆定的事實說明大氣中存在著一個電荷分布再生的機制，大氣中的電荷分布是由地磁場產生的。雷暴與人類生活有直接關係，例如它可以引起森林火災，擊毀建築物，當前它還是影響航空航天安全的重要因素。

地球是一個生物學意義上的有機整體，並作為一個具有自我調節功能的系統而進化。地球氣候本身就存在周期性的變化。造成地球溫度上升的因素很多，包括太陽的活動甚至宇宙射線的變化等。

§2 再討論地球磁場成因

在前一章中我們已經討論過地球磁場的成因，在這裡我們把它歸納如下。十九世紀時，人類對電與磁性質的理解已經非常深刻，現在我們完全可以認為：電可以生磁，磁可以生電。

地球磁場實際上就是一種，磁生電，然後再由電生磁的自然現象。在我們現在的日常生活當中，我們經常能看到各式各樣的變壓器。可以這樣說，沒有變壓器的作用，就沒有我們現代化的生活。

變壓器是一種電變電的設備，從實質上講我們應該把它叫做變電器。它是把一種電變換成另外一種不同參數的電的設備。它的工作原理是，先把電能轉換成磁能，然後再把磁能轉換成電能的方法。為了得到一個好的變壓器的設計，如此事物的關鍵點就在於對該設備的磁芯設計上，磁芯的大小、形式和選材決定了磁通的量和磁場的流通程度，對於這些參數的設計，也就決定了該變壓器到最後是否會變的理想。設計磁芯時的關鍵就是要考慮磁路是否順暢，儘量讓它不要出現磁渦流現象，致使轉換電能量儘量少的發生損耗。

宏觀地看，地球磁系統實際上是一個變磁器：它是把攜帶太陽風能量的磁層磁場經過地殼導電系統變換出地磁場。鑑於其他行星的實際情況，在這裡問題的關鍵是，地殼導電系統的形成。

有人會問：為什麼轉動的地球才會出現地球變磁器的地殼導電系統呢？因為只有轉動著的球體才會把磁場轉換出的電流理順，沒有轉動的球形殼層在帶電粒子的轟擊下，只能產生表面電層，而不會變換成為變磁器。就地球而言，地殼導電系統最大環電流應該在地球的赤道上，地殼赤道導電環的電阻率的變化會對地球氣候產生巨大的影響，厄爾尼諾現象和拉尼娜現象正好也說明了這一點。

對磁層磁場的探討是現今世界科學界研究的熱門，許多成果隨著人造衛星數量的逐步增加和我們對日地空間的熟知會越來越多。討論地球磁系統——地球變磁器，我們可以把它分成三個部分來討論。第一是磁層磁場、第二是地殼赤道電流環、第三是地磁場。對於太陽風和磁層系統我們用流體力學或彈性力學的經驗邊界條件去處理。對於地殼赤道電流環我們應該用麥克斯韋方程組去處理，但這是非常困難的，因為我們看不見它的實際情況，所以還是要去假設。地殼赤道導電環電導率的不均勻性，產生了我們現在見到的地磁場。用現有的地磁場去反推地殼導電環流層，也不失為研究地殼導電環流層的一種方法。只是邊界條件需要假設的方面太多，不知能否具有實際意義。

為了理解對地磁場的數學描述，我們先看一下牛頓力學的數學描述。牛頓力學經典實例是對炮彈彈道數學描述，無論炮彈的實際形狀如何，我們都把它看成為一個質點；我們只處理這個質點的初速度和射出角度，引進坐標系統；坐標的X軸與地球的重力加速度垂直，這樣我們就可以得到了炮彈的時間、空間坐標函數。至於空氣場、溫度場對炮彈運行軌跡的影響，我們在取得一些經驗值時給予修正就可以了。炮彈的速度和方向是實際發生的，把它們分解到X和Y軸上時，那時就只能是它們之間的研討關係了。

高斯的球諧函數分析法是數學描述地磁場最好方法，就像我們引進坐標系統描述牛頓力學問題一樣，它是我們處理討論自然事物的工具，應用的不好，它當然是不能代表自然事物的本質。

球諧函數法是處理標準偶極子磁場數學方法。由於地球磁場有90％是偶極子磁場，所以用球諧函數描述地磁場，再用非偶極子磁場給予修正是解決問題的最好方法。但是我們千萬不要以為地球磁場就應該是一個標準的偶極子磁場了。

受高斯的球諧函數分析法在地球磁場研究中成功的影響，有許多研究地球磁場的人還真是這樣認為的，他們在地球上到處去尋找能夠產生偶極子磁場發電機的存在機制，以至於延遲了我們對地球磁場的理解。我們應該清楚地認識到，地球的偶極子磁場和非偶極子磁場只是地磁場在這個坐標系裡的兩個分量而已。

總之，我們可以把地球磁系統分解為三個部分：第一部分是磁層磁場、第二部分是地殼赤道電流環、第三部分是地磁場。

§3 磁層磁場和極光

地球磁系統的磁層磁場部分，對於地球磁場來說是最為複雜的一個部分，因為太陽風的作用，使磁層磁場不是一個對稱的系統。太陽風壓縮磁層磁場的向陽面部分，使它與磁層側陽面的部分相比是被壓縮了，而背陽面的部分卻拉得很長很長。在向陽面就像是被壓縮的彈簧，而背陽面卻像被拉伸了的彈簧。背陽面的磁場、離子流和電子流在不斷變化的太陽風的作用下，它們也不斷地變換和跳躍著體現著它的存在，許多現象都是在這其中發生的，比如，極光、磁重聯等等。

由此看來，磁層磁場主要包括：1、太陽風及太陽風的形成機制；2、太陽到地球的行星際空間和弓形激波面；3、磁鞘和磁層頂，包括太陽磁場和磁層的磁場交界以及磁層表面電流層；4、地球4萬千米以上磁場，4萬千米的距離是在太陽風作用下而變化的，其中包括「溫暖的等離子鬥篷」、磁尾磁場及相關電流層等；5、兩極的極光橢圓帶和部分電離層，以及相應的地下磁場部分。

一、極光

常常出現於緯度靠近地磁極地區上空的彩色發光現象。一般呈帶狀、弧狀、幕狀或放射狀。這些形有時穩定有時作連續性變化。由於地球磁場的作用，這些高能轉向極區，故極光常見於高磁緯地區。在大約離磁極25°～30°的範圍內常出現極光，這個區域稱為極光區或者稱為極光橢圓帶。在地磁緯度60°～45°之間的區域稱為弱極光區，地磁緯度低於45°的區域稱為微極光區。極光的下界的高度，離地面不到100公裡,極大發光處的高度為110公裡左右,正常的最高邊界為300公裡左右,在極端情況下可達 1,000公裡以上。根據近些年來關於極光分布情況的研究，極光區的形狀不是以地磁極為中心的圓環形，而是更像卵形。極光的光譜線範圍約為3100～6700埃。其中最重要的譜線是5577埃的原子氧綠線稱極光綠線。極光的出現同磁暴、地冕、太陽風和宇宙線相關，因而也同太陽活動有關。早在二千多年前，中國就開始觀測極光，此後亦有豐富的極光記錄。

斯託默(1874～1957)挪威數學家，空間物理學家。於1903年開始從事對帶電粒子在偶極磁場中運動軌跡的計算工作，他的工作為研究宇宙線粒子在地球附近的運動以及地球輻射帶的發現打下了理論基礎。他在挪威組織了觀測極光與特殊類型雲圖的觀測臺站網，並成功地利用一種照相方法來確定極光的高度和位置。他在級數、數論和函數等方面，也有一定的貢獻。

在計算電粒子運動時，開始斯託默想去證明極光的成因，其結果從理論上卻證明，在地球周圍存在一個帶電粒子捕獲區（大部分區域處於後來發現的輻射帶內）。許多世紀以來，這一直是人們猜測和探索的極光天象之謎。從前，愛斯基摩人以為那是鬼神引導死者靈魂上天堂的火炬。13世紀時，人們則認為那是格陵蘭冰原反射的光。到了17世紀，人們才稱它為北極光——北極曙光（在南極所見到的同樣的光稱為南極光）。

隨著科技的進步，極光的也越來越為我們所熟知，這美麗的景色是太陽與大氣層合作表演出來的作品（起始思路）。在太陽創造的諸如光和熱等形式的能量中，有一種能量被稱為「太陽風」。太陽風是太陽噴射出的帶電粒子，是一束可以覆蓋地球的強大帶電亞原子顆粒流。太陽風在地球上空環繞地球流動，以大約每秒400公裡的速度撞擊地球磁層。地球磁場形如漏鬥，尖端對著地球的南北兩個磁極，因此太陽發出的帶電粒子沿著地磁場這個「漏鬥」沉降，進入地球的兩極地區。兩極的高層大氣，受到太陽風的轟擊後會發出光芒，形成極光。在南極地區形成的叫南極光，在北極地區形成的叫北極光。

目前，許多科學家正在對極光作深入的研究。人們看到的極光，認為主要是帶電粒子流中的電子造成的（還是不正確的想法，在後面我們會討論這些想法）。而且，極光的顏色和強度也取決於沉降粒子的能量和數量。用以形象比喻，可以說極光活動就像磁層活動的實況電視畫面。沉降粒子為電視機的電子束，地球大氣為電視屏幕，地球磁場為電子束導向磁場。科學家從這個天然大電視中得到磁層以及日地空間電磁活動的大量信息。例如，通過極光譜分析可以了解沉降粒子束來源，粒子種類，能量大小，地球磁尾的結構，地球磁場與行星際磁場的相互作用，以及太陽擾亂對地球的影響方式與程度等。

極光不但美麗，而且在地球大氣層中投下的能量，可以與全世界各國發電廠所產生電容量的總和相比。這種能量常常攪亂無線電和雷達的信號。極光所產生的強力電流，也可以集結在長途電話線或影響微波的傳播，使電路中的電流局部或完全「損失」，甚至使電力傳輸線受到嚴重幹擾，從而使某些地區暫時失去電力供應。怎樣利用極光所產生的能量為人類造福，是當今科學界的一項重要使命。

用來形容極光的詞很多，但無論用哪一個都難以表達出極光的神奇和美妙。極光是令人神往的自然奇觀，是南極和北極最為瑰麗的景色。在南極的漫漫長夜，有時幾乎整個天空都是一幅南極光的美妙景象，極光時而像高聳在頭頂上的美麗的圓柱，突然變成一幅拉開的帳幕，以後，又迅速捲成螺旋的條帶；有時，極光就想傳說中天女手中慢舞的長長的彩色飄帶，有時變化迅猛，形狀轉瞬即逝，有時又像天邊一縷淡淡的煙靄，久久不動；有時似漫天光火箭從天而降，幾乎舉手可觸，有時又像原子彈爆炸後的蘑菇雲騰空而起，令人望而生畏。這在南極的種種景象中，再沒有比這更壯觀美麗的了。

在太陽活動盛期，極光有時會延伸到中緯度地帶，極光有發光的帷幕狀、弧狀、帶狀和射線狀等多種形狀。發光均勻的弧狀極光是最穩定的外形，有時能存留幾個小時而看不出明顯變化。然而，大多數其他形狀的極光通常總是呈現出快速的變化。弧狀的和摺疊狀的極光的下邊緣輪廓通常都比上端更明顯。極光最後都朝地極方向退去，輝光射線逐漸消失在瀰漫的白光天區。

極光的形狀千姿百態，運動的狀態也是幹變萬化、多種多樣。科學家們把極光按照形狀特點分為五大類：一是底部整齊微微彎曲呈圓弧狀的極光弧；二是有彎扭褶，宛如飄帶狀的極光帶；三是如雲朵一般片朵狀的極光片；四是面紗一樣均勻的椎幕狀的極光幔；五是沿磁力線方向呈射線狀的極光。

長期以來，極光的成因機理還是未能得到滿意的解釋。在相當長一段時間內，人們一直認為極光可能是由以下三種原因形成的。一種看法認為極光是地球外面燃起的大火，因為北極區臨近地球的邊緣，所以能看到這種大火。另一種看法認為，極光是紅日西沉以後，透射反照出來的輝光。還有一種看法認為，極地冰雪豐富，它們在白天吸收陽光，貯存起來，到夜晚釋放出來，便成了極光。總之，眾說紛紜，無一定論。直到20世紀60年代，將地面觀測結果與衛星和火箭探測到的資料結合起來研究，才逐步形成了極光的物理性描述。

現在人們認識到，極光一方面與地球高空大氣和地磁場的大規模相互作用有關，另一方面又與太陽噴發出來的高速帶電粒子流有關，這種粒子流通常稱為太陽風。由此可見，形成極光必不可少的條件是大氣、磁場和太陽風，缺一不可。具備這三個條件的太陽系其他行星，如木星和土星，它們的周圍，也會產生極強的極光。

二、電離層（Ionosphere）

電離層是地球大氣的一個電離區域。60千米以上的整個地球大氣層都處於部分電離或完全電離的狀態，電離層是部分電離的大氣區域，完全電離的大氣區域被稱為磁層。有人把整個電離的大氣稱為電離層，這樣就把磁層也看作電離層的一部分。除地球外，金星、火星和木星都有不同的電離層，土星、天王星和海王星也有電離層結構。

為解釋地磁場的變化，19世紀時，C.F.高斯和開爾文等提出高空存在導電層的設想。1924年，Sir E.V.阿普爾頓等通過對無線電波回波的接收，證實了電離層的存在。R.A.沃森·瓦特於1926年首先提出「電離層」這一名稱。1925年，G.布雷特和M.A.圖夫發明的電離層垂直探測儀，是地面探測電離層的基本設備，為後來積累了大量的實測資料，為電離層研究起了重要的作用。1949年首次在V-2火箭上安裝朗繆爾探針直接探測電離層，開創了直接探測的先例。1925 ～ 1932年，阿普爾頓和D.R.哈特裡等人創立的磁離子理論，為研究電波在電離層中的傳播奠定了理論基礎。1931年，S.查普曼提出電離層形成理論，極大地推動了電離層的研究。

在整個空間環境系統中，電離層處於一個特殊的地位.這裡有足夠多的自由電子，它們的存在，顯著地影響著電磁波的傳播。而另一方面，電離層中未電離的那部分中性成分仍然在很大程度上控制著電子和離子的運動狀態，這就在本質上與磁層不同。在磁層中，由於大氣進一步稀薄且完全電離，帶電粒子的運動完全受磁場的控制。處於一定能量範圍內的帶電粒子可能被地磁場捕獲而在一定的磁力管位置上形成地球輻射帶。磁層中帶電粒子的動能和磁場能量之間的轉換是磁層的基本物理過程；電離層則不同，帶電粒子和中性粒子的相對頻繁的碰撞使磁場不能完全控制電子的運動。在赤道地區，磁場是水平的，東西方向的電場和磁場形成的洛倫茲力白天推動等離子體向上漂移，並在300～1000 km高度上沿磁力線向磁赤道兩邊擴散，使得電離層F區中電子密度最大值在白天通常出現於磁赤道兩側，這一重要的電離層異常現象叫做赤道異常。

由於電離層的上述特徵，近代電離層研究的一個明顯趨勢是不再孤立地研究電離層本身，而是把電離層看作空間環境整體的一部分，從它與其他部分相互影響的角度弄清電離層自身的形態變化特徵。這種相互作用主要包括：電離層與磁層的相互耦合，電離層與熱層大氣的相互耦合，以及電離層和中、低層大氣的相互作用。此外，電離層除直接受太陽遠紫外波段和X射線作用而電離外，也會受到太陽高能質子、耀斑爆發及太陽物質拋射等情況的瞬時影響。

磁層和電離層的耦合主要發生在高緯地區，這裡近於垂直的地球磁力線直接貫通磁層和電離層，磁層和太陽風相互作用產生的大尺度磁層電場可以沿著這些高電導率的磁力線直接投射到電離層中，引起增強的極區電離層電流並產生焦耳熱，來自磁尾的高能沉降粒子也可沿磁力線直接進入高緯電離層，向電離層直接提供動量和能量。電離層中的某些重離子，如氧原子離子等，也直接沿磁力線上行至磁層中。磁層和電離層這種質量、動量和能量的相互交換過程及機制是當前磁層-電離層耦合的研究焦點。

熱層和電離層處於同一高度，大體上可以認為熱層是電離層高度上未電離的中性大氣。由於部分大氣大量吸收太陽輻射而電離，吸收的能量通過碰撞抬高了中性大氣的溫度，故後者稱為熱層。在500千米左右的高度上，中性大氣的數密度仍比電離成分高兩個數量級，但由於電子和離子的磁迴旋頻率在這一高度上已遠大於帶電粒子和中性粒子的碰撞頻率，因此電磁場和中性風都會對帶電粒子的運動施加影響。當我們考慮這一高度上的電離層過程時，應同時顧及光化學過程、流體動力學和電動力學過程，也就是所謂熱層和電離層的相互耦合問題。

地球低層大氣中的過程也以不同的方式影響電離層，如全球雷電活動影響電離層底部和地面之間的電場，進而影響電離層變化；巨大火山的噴發和流星物質的沉積使低電離層中有較多的金屬離子而影響光化學過程；劇烈天氣過程以及對流層大氣中的大尺度(行星尺度)波動向上傳輸，在合適的條件下，也可以傳播到電離層高度，向電離層輸送能量並引起電離層的擾動。這種低層大氣和電離層之間通過動力學、電學和光化學的相互作用的問題，亦成為近年來人們極感興趣而並未十分了解的重要課題。

電離層擾動（ionospheric disturbance）是電離層結構偏離其常規形態的急劇變化，又稱電離層騷擾。電離源的突變、非平衡態動力學過程、不穩定的磁流動力過程和某些人為因素等，都可引起電離層擾動。它常嚴重影響電離層中無線電波的傳播。

一種來勢很猛但持續時間不長（一般為幾分鐘至幾小時）的擾動，它僅發生在日照面電離層的D層。這種擾動由太陽耀斑引起，耀斑區發出的強烈遠紫外輻射和X射線，大約8分鐘後到達地球，使地球向陽面電離層特別是 D層中的電子密度突然增大。這種現象稱為電離層突然騷擾。當發生這種騷擾時，從甚低頻到甚高頻的電波傳播狀態均有急劇變化。來自天外的宇宙噪聲，由於D層吸收突然增加而強度突然減弱，稱為宇宙噪聲突然吸收。但從D層反射的長波和超長波信號突然變強，相位也發生突變，稱為突然相位異常現象；而接收遠處雷電產生的「天電幹擾」的強度也明顯增強，稱為天電突增。甚高頻低電離層散射傳播信號也將增強。此外，耀斑期間，E層和F層底部的電子密度也突然增加，可引起短波頻率突然偏離現象。

持續時間為幾小時至近10天的常與磁暴相伴的強烈電離層擾動。太陽局部擾動除爆發出大量電磁輻射外，有時還輻射出大量帶電粒子流。粒子流到達地球一般要1～2天左右，它們與磁層和高層大氣相互作用，可使正常電離層（特別是F層）狀態遭到破壞，稱為F層騷擾。這種騷擾有負相（臨界頻率下降）、正相（臨界頻率上升）和雙相（臨界頻率有升有降）騷擾之分。騷擾時臨界頻率變化一般大於30％。太陽質子事件或磁層亞暴期間，極區電離層電離激增，會引起急始吸收、極光帶吸收、極蓋吸收和長波相位異常等現象。

火山噴發、地震、颱風和雷暴可激發中尺度大氣重力波擾動；地面核試驗激發的重力波可影響幾千公裡外的電離層；大功率短波雷達加熱等人工手段和空間飛行的釋放物，也能引起電離層擾動。這些自然因素和人為因素激發的電離層擾動。

三、極光橢圓區和磁層亞暴

磁層亞暴是地球磁層擾動的一種表現，是地球磁場最大的能量表現過程。關於磁層亞暴的概念是1968年提出的。亞暴擾動在其發展過程中會隨時間、空間而發生一系列的姿態變化，尤其是在極區的反應最為激烈。磁層亞暴的典型物理過程，首先是從行星際磁場方向反轉開始的。觀測表明，不少亞暴發生在行星際磁場方向由北向南反轉以後。由於向南的行星際磁場和地磁場相互耦合，引起磁力線的重聯，從而使磁尾中磁場強度增加；接著，由於磁力線重聯，磁流體發電機作用加強，橫越磁尾的電場和電流也增強。在將近一小時內,磁尾的等離子體便開始向地球方向運動。這時,「極光卵」的赤道側邊緣處極光突然增亮，並開始向極區移動，這就開始的極光亞暴。與此同時，整個磁尾的等離子體片的厚度開始變薄。伴隨亞暴發生的另一個過程是等離子體由磁尾向捕獲區注入，這種注入是外輻射帶電子的主要來源之一，也就是極光帶電波吸收增強的基本原因。當磁尾中的磁能積蓄到一定程度後，磁尾的磁力線由於某種不穩定性,便會發生重聯。

關於磁層亞暴的機制，目前的看法並不完全一致。有人認為行星際磁場由北轉向南是亞暴發生的原因。但是也有人不同意這種觀點，認為這種方向的改變只能控制亞暴出現的強度和緯度，對亞暴的觸發和能量的釋放不會有明顯的影響。這些問題的解決有待於建立亞暴事件全過程的正確時間序列，以及對亞暴的形態建立一個正確的物理圖像。亞暴起始時，平靜光弧突然增亮，增亮區擴大，這就是極光亞暴。亞暴是南北半球共軛的，共軛點上有相同現象，共軛點是指同一條磁力線截於南北半球地面的兩點。亞暴是磁尾的一種激烈而頻繁的運動形式，磁擾日裡幾乎每天都發生數次。亞暴常成串出現，時間間隔無規律，有時第一次尚未結束，第二次接踵而來，這稱為疊發亞暴。每一次爆發來不及構成完整的膨脹相，而只是一次接一次的極光增亮。亞暴的發生與行星際磁場和太陽風狀態有密切關係，一般當行星際磁場持續一段時間偏南之後，就會發生一連串亞暴。

「極光卵」，也就是極光橢圓區（Aurora Oval），還有人把它叫做極光橢圓帶，木星和土星的極光橢圓區最為壯觀。極光都是在環繞著地球磁場的橢圓區域發生的，因此我們可以很清楚知道並不是極光在移動，而是因為地球是在全球極光橢圓圈下轉動，因此極光對於地球表面的測站而言而轉動。相較於在傍晚和清晨的時候，極光的位置在午夜時分是比較靠南邊的。不過還是花了科學界許多年，透過對資料和研究結果的了解，才慢慢的接受極光橢圓圈這一概念。

自太空往地球上方看這套色的極光橢圓圖，紅色代表極光最亮的地方，而藍色代表最暗的地方，可以看到最亮的地方是午夜。一般相對於太陽而言，極區的活動有固定的模式：在傍晚時極光呈現相當安靜單一的極光弧形態，到了午夜極光的活動變得最為活躍，而到清晨時則為不勻稱的極光滿布，因為地球是一天自轉一圈的模式。由結果來看，站在地球的一個定點上，極區就像經歷了一個日變化一樣，從相當安靜單一的極光弧形態，到變換為活躍放射的極光弧，最後是不勻稱的極光滿布的區域，由地球的自轉帶著地面上的觀測者看過一輪這個相對固定的圖式。

透過檢查許多來自測站的全天象影像，並沒有給於同樣的想法，即便是只看單一的測站的資料。舉例來說，來自加拿大薩斯卡通全天象照片顯示，極光在一個晚上之內經歷了這三個階段的三次轉換，這種結果對觀測者來說，要不是固定模式的概念是錯的，就是地球在一晚上自轉了三次，結論便顯而易見。將同時攝自於西伯利亞、阿拉斯加和加拿大的全天象照片一起檢視，發現極光在橢圓圈的一個特別的區域同時經歷了一個大尺度的變化。

許多衛星上的照相機在拍攝地球和極區時所使用的是我們看不到的光：紫外光；而不是使用我們看得到的可見光，當我們利用紫外光去看地球時，我們看不到陸地和海洋，我們可以看到的是在上層大氣發光的氣體，我們可以透過紫外光去看到北極光(南極光)環繞著北極軸(南極軸)形成一個極光橢圓圈。透過紫外光去看極區和地球高層大氣所成的連續影像，發亮側是受太陽光照亮的大氣層(即太陽位於右下方)，而橢圓光圈則為極光。我們可以看到極光橢圓圈在某個區域發亮，然後突然開始拓展並向地球極區以及赤道方向爆發開來，與極區磁亞暴示意圖相同。

太陽風—磁層發電機能產生超過100萬兆瓦的功率，電壓達20～150千伏。在工業上和實驗室所用的磁流體發電機亦是按同樣的原理工作的，也是讓電離氣體—等離子體高速通過磁場來發電。在充滿磁場的稀薄等離子體中，帶電粒子只能沿著磁力線自由運動，磁力線的作用類似於導線，可以攜帶電流。太陽風和地球磁層交聯的場線與以磁極為中心的環狀區域相連，可以認為是太陽風—磁層發電機的兩極由磁力線連到了極光區的邊界。因此由極光發電機所產生的放電過程將是如此進行：由磁層邊界層的早晨側(正極)，經過地球極區極光區的晨側邊界，然後很可能是沿著極光橢圓，最後從極光區黃昏側邊界出來抵達磁層邊界層的黃昏側(負極)。這一體系是初級放電電路，稱之為一區電流體系。一區電流體系感應起的次級電流系稱之為二區電流體系。它是一區電流體系中的一部分從極光橢圓晨側部分的赤道通過向邊界放電回到磁層，以及從磁層向極光橢圓黃昏側部分的赤道向邊界放電。於是，在北極的晨側和晚側有一對電流，一個沿磁力線流動的電流是向下流向電離層，另一個沿磁力線流動的電流是向上流出電離層。沿磁力線流動的電流稱之為場向電流。向下流動的電子激發了離子和分子，將能量貯存在高層大氣中，其中一些以可見光的形式釋放出來，這也就是極光形式。

我們生活的地球，除了有大氣層保護著不受小型天體直接撞擊之外，還有地磁場保護著免遭宇宙射線的直接輻射。當太陽風中的等離子流以每秒300公裡的速度飛向地球的時候，在大約距離地球7萬公裡處受到地球磁場的阻擋。在氣體分子的周圍，分布著不同軌道的電子層，電子吸收了太陽粒子的能量後從低能級軌道躍遷至高能級軌道，隨後又重新躍遷低能級軌道。由於大氣層主要包含氮氣和氧氣這兩種成分，在受激發而發出的光線也就帶有其相應的特徵色。當這個撞擊發生在不同大氣層高度時，也就產生了不同顏色的極光。比如綠色極光通常發生在距離地面120～180千米的高度，紅色極光則在更高的高度，而藍色和紫色極光則發生在距地面120千米以下。

四、極光的本質

當我們處理許多自然現象時，我們大腦裡想當然的理念，最容易讓我們產生錯覺，使我們迷失認識問題的方向，在對於極光的解釋上最能說明這一點。地球南北兩極附近地區的高空，夜間常會出現燦爛美麗的光輝。有時它像一條彩帶，有時它像一團火焰，有時它又像一張五光十色的巨大屏幕。它輕盈地飄蕩，同時忽暗忽明，發出紅的、藍的、綠的、紫的光芒。這種壯麗動人的景象就是極光。

之前我們想像地認為，產生極光的原因是來自大氣外的高能粒子（電子和質子）撞擊高層大氣中的原子的作用。這種相互作用常發生在地球磁極周圍區域。作為太陽風的一部分荷電粒子在到達地球附近時，被地球磁場俘獲，並使其朝向磁極下落。極光是太陽風和地球磁場相互作用的產物。太陽風是太陽連續不斷地噴出的等離子體。當太陽風吹到地球附近時，它受到地球磁場的作用，進入地球的兩極地區，轟擊高層大氣而發光。由於高空氣體是由多種元素組成的，受到轟擊的不同元素的氣體發出的光的顏色是不一樣的。例如氧被激發出綠色和紅色的光，氮發出紫色的光，氬發出藍色的光，因而極光就顯得絢麗多彩，變幻無窮。

但是，在我們詳細分析極光過程之後，我們發現根本不是以前表述的想當然的那麼回事。

1、沒有人監測到太陽風在極尖區的粒子作用，極尖區雖然說磁場方向基本上都是豎向的（±90°），極區磁場對太陽風也是抗拒的，太陽風沒有可能刮進極尖漏鬥區。

2、就算太陽風粒子可以進入極區極尖漏鬥區，這樣應該是在極尖漏鬥區的中心極光最為強烈。可是實際上極光強烈的地區是在磁極區的周圍形成的極光橢圓帶。

3、南北極的極光共軛現象是高能粒子撞擊高層大氣中的原子產生極光理論所無法解釋的現象。

4、地球電離層的形成是沒有被磁層擋住的太陽風粒子作用在大氣上的結果，所以電離層相對地球是一個層次的結構。極光如果是粒子撞擊的結果，那麼它也應該是一種層次的結構，可是極光不是，極光的豎向結構比較明顯。

5、斯託默對極光很有興趣，他一開始就想用計算的方法去證明極光的粒子碰撞成因，可是結果卻從理論上證明，在地球周圍存在一個帶電粒子捕獲區，既地球輻射帶的存在。

貫穿人類的歷史，極光始終令我們著迷，在這其中也不乏對它的解釋。伽裡略認為極光是從地球上升起的蒸汽反射陽光而成的，而笛卡爾則認為是冰晶反射陽光形成了極光。17世紀末，哈雷第一個把極光和地球磁場聯繫了起來。不過直到20世紀50年代科學家才確認到極光是由於地球磁場的變化而產生的。

當亞暴在磁層中發生的時候，儘管釋放的能量只相當於幾百萬噸的TNT炸藥，但是它的效果卻是實實在在的。地球磁場會發生扭動，環繞磁層的電流也會跟著劇烈擾動，在10～15分鐘裡極光就會覆蓋極區天空，並且大幅度地增亮和「舞動」。這對於極光來說並不是什麼罕見的事情。當磁力線帶著巨大的能量劇烈變動的時候，就會從氧和氮中激發出紅光、綠光和藍光，這時極光就會變得既流光又溢彩。

當太陽風和磁層相聯接時地磁場會發生改變。一股扭曲的磁場會形成，然後沿著邊緣向地球背向太陽的一側運動。這一現象被稱為「磁流繩」，它可能和亞暴之間的存在相聯繫。磁流繩會和太陽風中的磁場聯接，隨後兩者會纏繞在一起使得地球磁場和太陽磁場相聯。這就會使得它們長驅直入，為輸入磁層的能量。當太陽風吹過地球的時候，它會拉扯磁流繩的端點，並且將磁流繩及其磁場拖離地球向陽的一側而進入地球背陽一側的磁層尾。

當有越來越多的磁流繩形成並且被拖入磁尾的時候，地球向陽一側的磁場就會越來越少。當然這不會一直進行下去。否則地球向陽一側的磁場就會被完全剝離，一旦這一情況發生，地球就會失去保護。地球剛形成的極早期，地球的原始大氣甚至就被太陽風「吹」散開。

不過很顯然我們是幸運的，這一切都不會發生。在磁場積蓄了張力幾個小時之後，亞暴就會產生。有幾件事情幾乎是同時發生的，包括磁尾斷裂、等離子衝向地球以及圍繞地球的電流瓦解。但是這些事件中是哪些觸發了亞暴並且產生了極光呢？

磁層磁場的磁力線可以分為四種類型，向陽面的正午磁力線、背陽面的午夜磁力線、還有早晨磁力線和傍晚磁力線。這四種磁力線基本都是經過極光橢圓區而進入地球南北極地殼，才實現磁場閉合。

經過以上敘述，我們都可以看到極光出現的原因了。在太陽平常期，較弱的太陽風能量，經磁層磁力線轉入地殼電流層，地殼電流層再轉成為地磁場時，能量表現基本上都是平衡的，這期間也不會有極光出現。在太陽擾動期，太陽風的能量突然增加好幾倍，強勁的太陽風吹在磁層上時，拉長的磁層儲存了一些多餘的能量，在達到一定的程度的時候，所說的磁層亞暴現象就出現了，拉斷的磁力線彈回地磁兩極，強烈的極光就開始飄動。

極光是動態磁力線攜帶的能量在地殼電流層轉換不掉的情況下，而由電離層分流能量所產生的。關於磁力線攜帶能量的數學描述，現代電動力學還沒有很好的解決方案，楞次定律告訴我們磁力線是可以攜帶能量的，可是磁力線攜帶能量的細節麥克斯韋方程無法給予描述。磁場的強度一般和能量沒有直接關係，動態的磁力線可以轉換能量是我們已知的現象。在極光橢圓區附近的地球電離層表達的導電場分布是極光變幻的物理依據。

有人認為磁層磁力線經過電離層時，有時形成極光的能量特別巨大，會把磁力線壓彎曲，這在撞擊粒子極光說是無法得到解釋的；實際上，磁力線是不能被能量所壓彎的，磁力線在電離層的形變是動態磁力線在電離導電場中擾動的結果。用磁層磁力線傳遞能量說明極光存在的理論，來解釋極光南北極共軛變得非常簡單。

相對劇烈的太陽風，也稱為「擾動太陽風」在到達地球磁層的時候，地球磁層以及地磁場會有許多劇烈變化的現象，這些變化現象包括地磁暴、磁層亞暴、磁重聯、極光、電離層和熱層擾動等，它們的發生時序和變化時序與磁層磁場、地殼電流層和地磁場的具體物理狀態密切相關，這些密切相關的時序列可以使我們真正知道太陽風和地球磁場的給予我們人類的真實含義。

極光同時的亞暴和全局的地磁暴活動之間的聯繫是直觀的，而全局的地磁擾動所能造成的不僅僅是一場絢麗的極光表達。猶如節日的焰火在空中閃現一下就消失得無影無蹤；有時卻可以在蒼穹之中輝映幾個小時；有時像一條彩帶，有時像一團火焰，有時像一張五光十色的巨大銀幕；有的色彩紛紜，變幻無窮；有的僅呈銀白色，猶如棉絮、白雲，凝固不變；有的異常光亮、掩去星月的光輝；有的又十分清淡，恍若一束青絲；有的結構單一，狀如一彎弧光，呈現淡綠、微紅的色調；有的猶如彩綢或緞帶拋向天空，上下飛舞、翻動；有的軟如紗巾，隨風飄動，呈現出紫色、深紅的色彩；有時極光出現在地平線上，猶如晨光曙色；有時極光如山茶吐豔，一片火紅；有時極光密聚一起，猶如窗簾幔帳；有時它又射出許多光束，宛如孔雀開屏，蝶翼飛舞。

以上對極光的描寫是太陽風磁場撞擊空氣粒子所不可以產生的現象。極光不但美麗，而且在地球大氣層中投下的能量，可以與全世界各國發電廠所產生電容量的總和相比。極光所產生的強力電流，也可以集結在長途電話線或影響微波的傳播，使電路中的電流局部或完全「損失」，甚至使電力傳輸線受到嚴重幹擾，從而使某些地區暫時失去電力供應。太陽風巨大的能量，都消耗和顯示在這裡了。怎樣利用極光所產生的能量為人類造福，這也是當今科學的一項重要使命。

§4 地殼赤道電流環和地球氣候

地殼赤道環電流在地球磁系統中，按部件多少來分是最簡單的一個部分，因為它僅有地球赤道環一個部件組成。就地球磁系統來說，地球赤道環又是最為複雜的一個部件。在前面的幾章裡我們就地殼赤道環電流有過許多的探討，它因為地殼組成物質的多元化，所以地殼導電率的不同造就了地殼電流的多樣化，由這些因素影響地表氣候，再加上引力的影響、陽光的熱影響，這就是我們的生活空間。

世界氣候變化持續異常，拉尼娜、厄爾尼諾、旱澇、強震、流感等災害交替發生，人們必須儘可能的給予理解，以為防災做準備。

地球的大氣圈、水圈和巖石圈的扁率變大，自轉變慢，由於速度增量比不同，大氣圈最慢，水圈其次，固體圈第三，所以，大氣和海洋相對固體地球向西運動，加強赤道信風和赤道暖流，使太平洋海面東低西高，有利於拉尼娜事件形成；反之，太陽在南北回歸線時情況正好相反，有利於厄爾尼諾的形成。也是厄爾尼諾現象通常在聖誕節附近發生的原因。

從太空時代的角度來看，太陽已經將其火爐的溫度調到了最適當的水平。但是科學家們奉勸人們大可不必為此擔心，因為太陽的輻射變化不會給地球上的生命帶來任何影響。

導致太陽活動稍微減弱的原因似乎是由於太陽磁通量的變化，以前也曾發生過這種波動。較弱的太陽風意味著拖緩衛星的拉力也減小了，這樣衛星就能夠在軌道上停留更長的時間。

150多年以前，科學家證實太陽黑子的活動是周期性的，它的平均周期約為11年。太陽黑子是因太陽的熱演變、聚集而形成的，太陽黑子的數量越多，代表太陽表面越活躍，產生的太陽風就越強，因此，太陽風的強弱變化也具有相同的周期性。

最近一段時間太陽風的溫度降低了14%，密度降低了17%。在過去的15年左右，太陽的總體輸出量似乎要比正常值低。從歷史資料看，許多人認為太陽黑子與天氣有關聯。比較熱門的說法是，太陽黑子的周期性與厄爾尼諾現象的出現有關。

2012年，我們將會擁有一個燃燒著巨大火焰的太陽嗎？科學家預計太陽活動將達到史無前例的高峰期，既在2011年的太陽周期中太陽黑子最多而且太陽活動力最強的時期。所以我們可以預見到那時將發生大量的太陽活動。有史以來，科學家預測第24個太陽活動周（2011～2012年）中的太陽極大期可能比之前2002～2003年的高峰期釋放更多的能量。太陽物理學家為即將發生一輪太陽活動而激動，一些新型的科學預測方法和監測工具已經被派上用場。然而，面對2012年的「世界末日」我們真的不知道應該為什麼擔心。

根據人類此前所預測的眾多世界末日的場景當中的一個，在2012年將是瑪雅人所預言的「世界末日」。當瑪雅第五太陽紀結束時，必定會發生太陽消失，地球開始搖晃的大悲劇。根據瑪雅預言所說，太陽紀只有五個循環，一但太陽經歷過5次循環，地球就要毀滅。而第五太陽紀開始於公元前3113年，歷經瑪雅大周期5125年後，就在公元2012年12月22日前後結束。這個瑪雅人的預言場景事實上讓人感覺聳人聽聞，許多人說明至少太陽劇烈活動相對還是符合的。科學家發現在2011年的太陽周期與根據瑪雅曆法所提出的時間循環之間，可以找到一些可能存在的聯繫，但是這些聯繫也僅僅和天文觀測有關係，瑪雅人的確觀察到了太陽的一些活動。此外，宗教經文（比如《聖經》）說到：我們即將迎接宣判日的到來，其充滿了火焰和硫磺。所以，我們看起來似乎和當年等待1997年一樣，正在等待2012年12月21日這個日子的到來。

然而在我們迅速做出結論之前，退後一步進行全面的思考。如同其他的預言說2012年「世界末日」的場景一樣，由太陽所噴發出的巨大的、毀滅地球性質的太陽耀斑拋射物，於那些兇兆預知者和不明科學知識的人極具吸引力。但是讓我們從對太陽耀斑效應的研究中會看到，即使太陽到底發生什麼，地球究竟會怎麼樣。事實上，我們的地球狀態非常之好，它可以抵禦更強大的太陽風暴。

總而言之，太陽的劇烈活動是依靠地殼環電流表達在地球表面的，它對地球氣候的影響，在之前並沒有引起人們足夠的重視和更為深入地探討，不過有許多人認為太陽活動甚至可以影響地震的過程，甚至誘發地震。以下我們把地殼赤道環電流的若干性質總結如下：

1、太陽風的能量轉換到磁層磁場之後，磁層磁場由極光橢圓區進入地殼，在地球的地殼上形成地殼赤道環電流。由於地球的自轉，地殼環電流的方向在地球緯度線上，最大電流值在赤道附近，電流遍布地殼形成導電層，電流強度以經度遞減。

2、我們知道地球如同浸泡在電離漿裡的一個活動球體，在這個地磁系統中必然會生成許多電流系，地殼赤道環電流在地球磁系統中是主要的磁電轉換系，這也是地球磁場的關鍵所在。

3、地殼電流系依據電流最短路徑原理，所以地電流就會有一個向地心的力，在這個力的作用下我們在地殼的表面感覺不到地殼電流的存在，也沒有跨步電壓的困惑。

4、在以上電流向地心力的作用下，地殼電流環會存在一個最大電流層。在最大電流層之上降至居裡溫度的物體，它的剩磁是正向表達；在最大電流層以下降至居裡溫度的物體，它的剩磁是反向表達；在最大電流層中降至居裡溫度的物體，它的剩磁是磁力零表達；所以現在科學界認為的地球磁場的翻轉沒有必要那麼頻繁。

5、地殼環電流在地面的表達就是地磁場，由於地殼及海洋的多樣性，地磁場的存在就會顯得豐富多彩。由於此地球磁場並不是標準的偶極磁場。它的兩磁極的最短連線縱穿太平洋。

6、吉爾伯特在1600年提出磁論，從此之後人類開始留下了地磁資料，從這些資料看，由於地殼乾旱的原因，地磁場減少10％。依據亞洲和北美洲的磁場強度的多年變化，也可以看出地殼的變化。

7、在南半球，1600年當時環電流的地殼最大阻值在非洲，所以當時最小地磁場強在非洲大陸。地球的乾旱變化使南美的地阻變大，這樣地球最小場強就轉移到了南大西洋上。

8、地殼環電流受太陽擾動的影響，太陽風的變化使地磁場強度增加，我們稱為磁暴；它還會使兩極的環電流增大。地殼環電流以及其產生地磁場都是動態電磁環境，所以說在地球的一些特殊的地方會產生動態趨勢場，比如亞洲大陸和美洲大陸東側的三角之謎，也許就是這樣的產物。

§5 百慕達三角之謎

百慕達三角的旅行者們每次驚險回歸後就報導了他們的古怪經歷：他們乘坐的船或者飛機會被一種奇怪的蒸汽所吞沒，爾後所有的儀器都失靈、紊亂了，莫名其妙的霧會在整個海面上升起，而當時的自然天氣都不可能產生霧，人們直到今天也沒有找到令人信服的理由來解釋這些電磁失常情況。於是，各種猜測眾說紛紜，其中最流行的就是「外星人」劫持。如同關於飛碟傳說一樣，外星人在百慕達三角劫持船隻和飛機的說法，也僅僅是人類對神秘事物的幻想。

一、百慕達三角的神秘

從這張百幕大三角地區範圍地圖上面，我們可以清楚地看到。該地區處在中美洲地峽以北並且橫跨北回歸線。附近有眾多群島和海峽：列斯群島之間的佛羅裡達海峽和向風海峽，莫納海峽，以及由小安的列斯群島之間的阿內加達海峽，瓜德羅普海峽，聖文森特海峽。

由於百幕大地區特殊的地形條件，海洋電流變化很大，自然造成這個地區強烈的磁場異常。也就是說，百幕大曾經是地球磁場的一個非偶極子磁極。這裡又會變成了地球磁場強大異常區域，絕大多數關於百幕大「魔鬼三角」的恐怖傳聞的發生。

百幕大地區由於特殊的海洋地理位置，附近存在一股強大的墨西哥灣暖流，並且已經存在一個非偶極子磁場。但是強度並不是很大，最多算是地球磁場的一處「渦旋」，在巴拿馬運河連通了大西洋和太平洋水體以後，這個地球磁場「渦旋」終於發展成為地球的一個強大的磁場異常區域，導致大量神秘飛機，輪船的失蹤事件頻繁發生。

其實要驗證這個假說是能夠辦到的，可以在百幕大地區不同地點安放固定的磁力計，通過分析二者之間真實的客觀聯繫數值也許能夠最終解開「魔鬼三角」之迷。

日本東面的「龍三角」是除百幕大三角之外的另一個海難，空難高發區域。此外在紅海和地中海局部區域也存在和百幕大海域類似現象。這些海域的異常現象也是由於大密度的海洋感應電流形成的強烈地球磁場變化的結果。

所謂百慕達三角，是指北起百慕達群島，西到美國佛羅裡達州的邁阿密，南至波多黎各的一個三角形海域。從1945年開始，數以百計的飛機和船隻都在這裡神秘地失蹤。現在，百慕達三角已經成為那些神秘的、不可理解的各種失蹤事件的代名詞。

地球磁場跟地球引力場一樣,是一個地球物理場，它是由基本磁場與變化磁場兩部分組成的。基本磁場是地磁場的主要部分，起源於地球內部，比較穩定，變化非常緩慢。變化磁場包括地磁場的各種短期變化，與電離層的變化和太陽活動等有關，並且很微弱。

根據現代科學證明,地磁(氣場)對人體有很大的影響：如果人體長期順著地磁的南北方向可使人體器官細胞有序化，產生生物磁化效應，使生物電得到加強，器官機能得到調整和增進，從而起到了良好的作用。

地球的磁場還在不斷發生變化，其變化方式也在發生變化。不同地方的磁場方向和強度均以不同的方式發生變化，可能變小。由於地球磁場的複雜性，要預計它在遙遠的將來會是什麼樣子是不可能的。地球物理學家們利用分布在世界許多地方的磁場觀測點收集的數據，通過數學模型分析出磁場將如何變化。

我們把地球說成是一個大磁體，凡是磁體都能產生磁場，如同吸鐵石一樣。地球的磁場，實際上反映的是地表電流的存在，沒有磁場，動物們將找不著方向，將不能生存，無法預知災難的到來，最後將滅種，整個生態不平衡以後，人類靠什麼生存。由於地球有強度適宜的磁場，宇宙射線才不會對地球上的生命產生強烈影響。

北緯30度附近，位於美國佛羅裡達州東部海面，古巴正東部海區的百慕達三角洲，它是大西洋中令人毛骨悚然的魔鬼三角洲。常有過往的船隻和飛機在這裡神秘失蹤，人員屍骨無存。對這些神秘的現象，有人認為是海底強磁場所引起的，有人認為是存在於海底的外星人基地在作怪，還有人提出時空隧道假說，等等，眾說紛紜，莫衷一是。有許多解釋，使百慕達三角洲越發神秘莫測。

魔鬼三角區有很多，比如比較著名的是百慕達三角（是由佛羅裡達半島，英國的百慕達群島，以及波多黎各島所組成的三角地區）以及亞洲的龍三角等。

二、百幕大三角之謎的生成原因

以下我們試著來解釋一下百幕大三角之謎的原因，百幕大三角之謎相傳的成分太多，有許多現象是無法確定的，對它的解釋相對也並不是十分確切的。

從圖上看，百幕大三角距離地球赤道環電流並不太遠，地球赤道環電流穿過南美洲赤道線有一些困難。向北進入加勒比海卻顯得比較輕鬆，加勒比海的水並不太深，所以也不會有太多的表現。當電流進入百幕大三角後，水深突然增加，電阻遽然減小。地殼增大的電流層轉向更深處運行，這時會發生一種效應，就好像水流突然跌落一樣，會產生一種負能量的趨勢。使海洋表面的磁場間歇性的消失。

日本東面的「龍三角」也會有同樣的現象出現，地殼電流層穿過地球地殼導電最差的歐亞大陸，突然進入太平洋穿過日本島，這時的電流層和百幕大三角發生情形一樣會出現磁場消失的現象。只是這裡的情況比不上百幕大三角出現的劇烈而已。

§6 地磁場和範艾倫輻射帶

地球磁系統的第三部分：地磁場部分主要是有兩大部件組成的，它們是，差不多就是一個偶極場的我們非常熟悉的地磁場和上世紀六十年代才發現的範艾倫輻射帶組成。範艾倫輻射帶在之前，我們總是把它作為磁層的一部分來處理的，只是因為輻射帶中的電離子大部分都是磁層所提供的。

20世紀初，挪威空間物理學家斯託默從理論上證明，在地球周圍存在帶電粒子捕獲區（大部分區域處於輻射帶內）。1958年，美國物理學家詹姆斯·范艾倫用美國衛星上的蓋革計數器，第一次直接探測到地球周圍的高能帶電粒子，從而證實輻射帶的存在。

早在20世紀初，就有人提出太陽在不停地發出帶電粒子，這些粒子被地球磁場俘獲，束縛在離地表一定距離的高空形成一條帶電粒子帶。50年代末60年代初，美國科學家範艾倫根據「探險者」1號、3號、4號的觀測資料證實了輻射帶的存在，確定了它的結構和範圍，並發現其外面還有另一條帶電粒子帶，於是離地面較近的輻射帶稱為內輻射帶，離地面較遠的稱為外輻射帶，因是範艾倫最先發現的，故又稱之為內範艾倫帶和外範艾倫帶。

過去人們一直認為地球磁場和一根大磁棒的磁場一樣，磁力線對稱分布，逐漸消失在星際空間。人造衛星的探測結果糾正了人們的錯誤認識，繪出了全新的地球磁場圖像：當太陽風到達地球附近空間時，太陽風與地球的偶極磁場發生作用，把地球磁場壓縮在一個固定的區域裡，這個區域就叫磁層。磁層像一隻頭朝太陽的蛋形物，它的外殼叫做磁層頂。地球的磁力線被壓在「殼」內。在背著太陽的一面，殼被拉長，尾端呈開放狀，磁力線像小姑娘的長髮，「飄散」到二百萬千米以外。磁層好像一道防護林，保護著地球上的生物免受太陽風的襲擊。最近十年，科學家已經把磁層的概念擴展到其它的一些行星，甚至發現宇宙中的中子星、活動星系核都具有磁層結構的特徵。

地磁場俘獲的帶電粒子帶，輻射帶內的帶電粒子是太陽風、宇宙線與地球高層大氣相互作用而產生的高能粒子。它們在地磁場的作用下，沿磁力線作螺旋運動並不斷輻射出電磁波。地球輻射帶分為：1、內輻射帶：高度在1～2個地球半徑之間,範圍限於磁緯度±40°之間,東西半球不對稱。西半球起始高度比東半球低,最高處可在9,000千米處開始。兩半球都向赤道方面凸出。帶內含有能量為50兆電子伏的質子和能量大於30兆電子伏的電子。2、外輻射帶：高度在3～4個地球半徑之間，起始高度為13,000～19,000千米，厚約6,000千米,範圍可延伸到磁緯度50°～60°。外帶比較稀薄。外帶內的帶電粒子的能量比內帶小，但遠遠超過外大氣層中粒子的熱運動能。

被俘獲的帶電粒子實際上分布於整個地磁場，所以輻射帶的界限並不分明，只是帶內帶電粒子的密度比其他區域大。輻射帶中，內帶的帶電粒子數是相對穩定的，外帶則變化較大,差別可達到100倍。一般來講，在內帶裡容易測到高能質子，在外帶裡容易測到高能電子。

輻射帶的範圍和形狀受地磁場的制約，也和太陽活動有關，在朝太陽的方向被太陽風稍被壓縮。輻射帶中的帶電粒子數也同地磁場和太陽活動的變化有關。關於帶電粒子的來歷並不重要，木星和土星輻射帶的帶電粒子大多是來自磁場內的衛星。

「範艾倫帶」是太空時代的第一個重要天文發現，也為美國進入太空時代奠定了基礎。範艾倫也被人稱為帶美國跑入太空時代的太空先驅之一。除此，「範艾倫輻射帶」也衍生出磁層物理這一全新的研究領域，目前全球共有20多個國家的1000多名科學家在從事該領域的研究。

而且目前，科學家還認為，在地震發生前，範艾倫輻射帶內總會出現受幹擾情況，由此判斷測量範艾倫輻射帶的變化可以預報地震。

此後的科學研究發現，來自範艾倫輻射帶的輻射對太空中的太空人、繞地球軌道飛行的衛星探測器以及在靠近地球極區飛行的一些飛機會產生不同程度的影響。因此，研究範艾倫輻射帶，對於減輕相關輻射對地球的影響、保護未來的空間探索項目十分重要。

此外，範艾倫輻射帶的輻射水平每月都會快速產生一個峰值，從而形成能量巨大的電子流，對空間儀器設備的電路造成破壞，甚至危害不幸路過此處的太空人的脫氧核糖核酸(DNA)。物理學家就一直試圖搞清究竟是什麼原因觸發了這一能量爆發——其能量相當於太陽風的數千倍。

這一科研項目的目的，在於準確探測環繞地球周圍的範艾倫輻射帶的氣層變化與地震現象之間的關係。此前，俄羅斯科研人員在研究中初步發現，在地震發生前，範艾倫輻射帶內總出現受幹擾情況，由此初步判斷範艾倫輻射帶的變化與地震發生存在某種關聯。

帶電粒子（如宇宙射線的帶電粒子）被地磁場捕獲，繞地磁感應線作螺旋線運動，在近兩極處地磁場增強，作螺旋運動的粒子被折回，結果沿磁力線來回振蕩形成範阿侖輻射帶。

地球磁場的分布為南北二極強，赤道附近弱，是一個天然的磁捕集器。它能俘獲宇宙射線中的電子和質子，使它們在南北極之間圍繞地磁場的磁力線往返作螺旋運動而輻射電磁波。

在地球大氣層上空，帶電粒子被地球磁場俘獲，在那裡形成了所謂的「範艾倫輻射帶」。高能電子以接近光的速度飛行，遍布在兩個類似於油炸圈的區域內，這兩個區域通常被一個被稱為「空洞區域」的空洞分隔開來。

是什麼使「空洞區域」中沒有電子呢？這個問題一直是科學家研究的焦點。空洞很可能是有太空中的自然波擾動形成的，而不是其他理論提出的雷電作用形成的。雷電產生的無線電波逃逸到太空中，然後使粒子大量侵入大氣，從而在兩個環形帶中形成了空洞。由於閃電在陸地上空發生的頻率比水面上空要高，因此太空中的電波出現的頻率要比陸地上空高。

在分析了相關的衛星數據之後，我們發現頻率小於1千赫的（電波最為強烈的波段）電波在陸地和海洋上空一樣多。相反，電波活動在太陽引起的地磁擾動期間更為頻繁，這說明自然界中的電波騷動是形成空洞的原因。

地球的磁性, 是地球內部的物理性質之一。地殼環電流產生的地磁場就像是一個大磁體, 在其周圍形成磁場, 即表現出磁力作用的空間, 稱作地磁場。它和一個置於地心的磁偶極子的磁場很近似, 這是地磁場的最基本特性。地磁場強度很弱, 這是地磁場的另一特性。

這裡所說的地磁場只能算作地球表面磁場，並不是地球的全球性磁場（又稱地球磁系統）。在地球的地殼環電流不變的情況下，地殼環電流對地磁場的影響就只有雷電產生的擾動了。強烈的太陽擾動會被地球電流環化解掉大量的湧動，以致反應到地球輻射帶的變化就已經沒有多少了。也就是說，地球的表面磁場給予地球輻射帶的作用，雷電的效應應該大於太陽擾動。

地磁場部分和磁層磁場部分依照赤道環電流為它們的分界線。

§7 地球磁場為人類所利用

我們所能見到的自然現象都可以說是能量的過程，在這些過程之中能量不僅是守恆的，而且也是可以轉移的。引力的能量起源於太陽系誕生時的本質，它現在是耗散的，難能再生的。陽光的能量是我們賴以生存的源泉，但是它是分散的，很難統一調配的。太陽風帶給地球的能量卻非常有趣，雖然它的單位面積的量很小，但是由於它和地球的導電層起作用產生了地球的磁系統，這樣地球就可以百倍地接收到地球單位面積的能量。

一、能量守恆定律

我們在處理像地球磁場、地球的演化等大的問題的時候，能量的問題就必須是給予優先考慮的關鍵所在。地球磁場的成因，先前提出的幾近百個理論，大部分人都把目光放在地球的核上，因為地球磁場是神秘的，地核也是神秘的，形成的理論當然也是神秘的，這樣任何人都將無從反駁。殊不知在行星地球的內部，能量幾乎無法進去，當然更是也無法長期大量向外輸出。在地球內部，從大的數量級看它是一個無源場。

能量守恆與轉化定律是19世紀三個重大發現之一。該定律是在5個國家、由各種不同職業的10餘位科學家（好幾位是業餘的）從不同側面各自獨立發現的。其中邁爾、焦耳、亥姆霍茲對發現能量守恆定律做出了主要貢獻。邁爾是德國醫生，邁爾最早是從人體新陳代謝的研究中得出這個重要發現的。1840年，邁爾在一艘駛往爪哇的船上作隨船醫生，他在給生病的船員放血時，發現病人的靜脈血比在歐洲時的顏色要紅些，由此引起他的沉思。他想到熱帶地區人的靜脈血所以紅些，是由於其中含氧量較高的緣故，而氧所以多出來，是機體中食物的燃燒過程減弱的結果。這使他聯想到食物中化學能與熱能的等效性，由此推測如果人體能的輸入同支出是平衡的，那麼能在量上就必定是守恆的。1842年，邁爾《論無機界的力》的論文，進一步表達了物理化學過程中能量守恆的思想。

焦耳是英國物理學家，他極力想從實驗上去證明能量的不滅。1840～1841年，經過多次通電導體產生熱量的實驗，他發現電能可以轉化為熱能。1843年，他鑽研並測定了熱能和機械功之間的當量關係，做了一系列的實驗，並宣布：自然界的能是不能毀滅的，那裡消耗了機械能，總能得到相當的熱能，熱只是能的一種形式。亥姆霍茲是德國物理學家、生理學家，他是從生理學問題開始對能量守恆原理進行研究的。於1847年出版了《論力的守恆》一書。在這部篇幅不長的著作中，亥姆霍茲確認「力」的守恆定律在自然界中所起的作用，這本著作就成了能量守恆定律論證方面影響較大的一篇歷史性文獻。在該定律發現的過程中，除了上述3位物理學家做出重要貢獻外，還有法國的卡諾於1824年，德國的莫爾於 1837年，法國鐵道工程師塞甘於1839年，生活在俄國的瑞士化學家赫斯於1840年，德國物理學家霍耳茲曼於1845年，英國律師出身的電化學家格羅夫於1846 年，丹麥工程師柯耳丁於1847年，以及法國物理學家伊倫於1854年，都曾獨立地發表過有關能量守恆方面的論文，對能量守恆定律的發現做出了貢獻。

能量守恆定律的發現，在物理學史上又是一個非常重要的事情：1、這個定律表達了關於運動量不可創造和不可消滅的普遍規律；2、這個定律概括了一切物理現象：力、熱、電、磁、光的現象，這就有可能用這一定律從同一觀點去研究所有這些現象，把它們看成是可以互相轉化的運動的不同形式，揭示了這些運動形式之間的統一性；3、這個定律的發現也促進對自然現象認識的辯證觀點的發展，自然辯證法認為，自然界中的一切現象都應當是相互聯繫的；4、能量守恆定律是一個物理理念，它有各種形式的物理數學表達，它是古典物理學的核心之一，它為現代物理學奠定了基礎。

在物理學界有如此重要地位的能量守恆與轉化定律，在當年雖然有10餘位科學家從不同側面各自獨立的闡述，可是要在當時的科學界得到公認卻是何等的艱辛。邁爾因沒人理解變成了瘋子，焦耳為此堅持了40餘年的實驗，這都是因為當年人們思想理念中的偏執理念在作祟。由於文化理念的慣性，直到現在，我們去討論我們所未知的世界時，無論是科學家也好，還是公眾輿論都常會把能量守恆理念放置一邊，而置之不理。

人造磁球

二、地球磁場發電

1、赤道表面覆蓋導體發電

在1832年法拉第曾經提出過一個非常有趣的實驗。當時法拉第已經非常熟悉磁場產生電的理論了。他認為，地球中心是塊大磁鐵，根據海水切割地球磁場產生電動勢的想法，測量泰晤士河兩岸間的電位差，就希望能依此計算出河水的流速來。結果法拉第怎麼著也沒測量出這個電位差來，就算當時的測量技術不先進，可是現代的人為此也還是達不到目的。不過1937年哈特曼根據法拉第的想法，對水銀在磁場中的流動進行了定量實驗，並且成功地提出粘性不可壓縮磁流體力學流動(即哈特曼流動)的理論計算方法。

法拉第當年的想法是非常正確的，只是地球磁場不是當年法拉第理解的那種情況。用本書中提出的地球磁場理論看，當時認為切割地球磁場的海水其實就是生成地球磁場的海洋——地殼環電流層是一體的。有我們前面討論過的，地殼環電流有趨向地心方向的力，所以在同一導體的地表上，我們是測量不到電位差的。

法拉第的思想告訴我們，地球磁場是可以用來發電的。解決問題的關鍵是，要把發電的這塊導體與生成地磁場的導體絕緣開來。產生雷電的雲層就是根據這個原理髮電的。在地球赤道的附近，我們在海面上鋪設大面積的外絕緣導體，用這樣的方法我們是可以得到我們想使用的電力的。

用鋪設大面積的外絕緣導體的方法，我們不僅可以得到電力。而且還可以用來調節雷電產生的頻次和大小，減小雷電對其他事物的傷害。但是我們取得了電力，必然就減弱了地球磁場強度。怎樣做才是真正地對我們人類有利，這也是需要我們很好研究和做實驗的課題。

2、赤道導線引出電流

還有另外一種利用地球磁場產生電力的方法：從第五章我們知道，安第斯山在赤道環上是導電率最不好的一段，如果我們用導體調節赤道安第斯山脈的導電率，厄爾尼諾現象和拉尼娜現象就可以進行人工的控制。產生厄爾尼諾現象有著巨大地殼的環電流能量，為此我們有時不必要把它完全變成地磁場的磁能。這樣我們就可以把這些能量取出來提供我們生活的需要。

3、磁極極光橢圓導體引出電流

從前面我們知道，磁層的能量都是從極光橢圓區進入地殼的，磁層強大的能量地殼無法轉換時，在電離層處就產生了極光。如果我們在極光橢圓區布置導體，那麼我們就會把多餘的電力引導出來，為我們所利用。

三、調整地磁場強度 改善生存環境

在前面我們知道，地球磁系統可以分為三大部分：磁層磁場、地殼環電流和地磁場。調整赤道環電流可以調整地磁場的分布和部分磁場的強度。從氣象學我們知道每年降雨量的概率也和太陽活動密切相關，太陽活動在陽光對地球的影響並不顯著，這種相關在於改變地磁場而影響了降雨的凝結過程，所以使得年降水量得以增加。

我們對太陽活動及太陽風的研究才僅僅只有50年的時間，從中國人知道有地球磁場已經有一千多年的歷史，吉爾伯特提出對地球磁場的理解也有400多年了。400多年來討論電、磁和地球磁場文化的厚重積澱，使我們發現，如果我們現在說地球磁場是太陽風吹在地球上產生的，那麼好多人對此還是無法接受，因為他們的地球磁場是內源的理念很難改變，他們無法理解那種浩瀚的太陽風掃向地球的震撼場景和內源地磁場的相互關係。

陸地、海洋和大氣組合起來的地球氣候是一個非常複雜的系統，陽光和太陽風相互給它們施加的影響，讓它們變得撲朔迷離，如果人類可以人為地調整其中的太陽風造就的地球磁場，那麼這樣的事就會變得非常有意義，因為人類為此就要進入了一個嶄新的時代。

自然賦予我們的不僅僅是生命和感知，更值得慶幸的是它還賦予我們思想和理性。平和地對待我們周圍的環境、陽光和地球磁場，還要平和地對待我們自己和我們生活著的宇宙。

本章重點概要

（一）宏觀地看，地球磁系統實際上是一個變磁器：它是把攜帶太陽風能量的磁層磁場經過地殼導電系統變換出地磁場。在這裡問題的關鍵是，地殼導電系統的形成。

（二）因為只有轉動著的球體才會把磁場轉換出的電流理順，沒有轉動的球形殼層在帶電粒子的轟擊下，只能產生表面電層，而不會變換成為變磁器。就地球而言，地殼導電系統最大環電流應該在地球的赤道上，地殼赤道導電環的電阻率的變化會對地球氣候產生巨大的影響，厄爾尼諾現象和拉尼娜現象正好也說明了這一點。

（三）地球赤道環電流穿過南美洲赤道線有困難。向北進入加勒比海卻比較輕鬆，加勒比海的水並不太深，所以也不會有太多的表現。當電流進入百幕大三角後，水深突然增加，電阻遽然減小。地殼增大的電流層轉向更深處運行，這時會發生一種效應，就好像水流突然跌落一樣，會產生一種負能量的趨勢。使海洋表面的磁場間歇性的消失。

（四）用鋪設大面積的外絕緣導體的方法，我們不僅可以得到電力。而且還可以用來調節雷電產生的頻次和大小，減小雷電對其他事物的傷害。但是我們取得了電力，必然就減弱了地球磁場強度。怎樣做才真正對我們人類有利。這也是需要我們很好研究的課題。

（五）安第斯山在赤道環上是電阻最大的一段，如果我們用導體調節赤道安第斯山脈的導電率，厄爾尼諾現象和拉尼娜現象就可以進行人工的控制。厄爾尼諾現象的巨大能量，我們有時不必要把它完全變成地磁場的磁能。我們可以把這些能量取出來供我們生活的需要。