地球的周圍存在磁場，這個(gè)磁場就是地磁場。人們對地磁場起源的研究至今沒有取得滿意的結(jié)果。2011年9月22日筆者提出了地磁場起源于地核中自由電子擴(kuò)散的觀點(diǎn)，并對地磁場作了初步解釋【1】。
地球的地核是由鐵組成的，有大量的自由電子。地幔是由化合物組成的，沒有自由電子。地核和地幔都處在高溫高壓中，地核中的自由電子大量擴(kuò)散到地幔中，使地幔帶上大量的負(fù)電荷，地核帶上等量的正電荷。地球自轉(zhuǎn)，其中的正﹑負(fù)電荷也跟著運(yùn)動(dòng)，分別形成跟地球自轉(zhuǎn)方向相同和方向相反的環(huán)形電流。由于負(fù)電荷繞地軸轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑比正電荷繞地軸轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑大，負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)形成的磁場磁矩比正電荷運(yùn)動(dòng)形成的磁場磁矩大，合成磁場的方向與負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)形成的磁場方向相同。由安培定則可知，這個(gè)磁場的北極在地理南極處，磁場的南極在地理北極處，這與實(shí)際地磁場方向大致一致。這個(gè)磁場叫偶極子場。偶極子場使地殼中的鐵磁化，形成一個(gè)附加場，叫非偶極場。偶極子場和非偶極場合成為地磁場，其中偶極子場是主要的。這個(gè)磁場會受到太陽風(fēng)的影響。由于大陸漂移非偶極場改變了位置，出現(xiàn)了磁偏角，成為現(xiàn)在的地磁場。遠(yuǎn)古時(shí)期地球自轉(zhuǎn)比現(xiàn)在快得多，那時(shí)的偶極子場比現(xiàn)在的強(qiáng)得多，非偶極場也比現(xiàn)在的強(qiáng)得多。后來地球自轉(zhuǎn)變慢，偶極子場變?nèi)�，地殼的剩磁在某些（富含鐵的）地面表現(xiàn)出來，這時(shí)若在這些地面形成新的地層，新的地層的磁場方向就和原地層的磁場方向相反，出現(xiàn)所謂的反向地層。地球自轉(zhuǎn)變慢會持續(xù)下去，偶極子場會持續(xù)變?nèi)酰麄�(gè)地磁場也會持續(xù)變?nèi)�，但卻不會出現(xiàn)磁極反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。
有一個(gè)看起來和地磁場無關(guān)的現(xiàn)象，人們長期以來也沒有搞清楚，這就是雷電現(xiàn)象中的起電問題。最近在網(wǎng)上看到雷雨云起電的材料，感到對雷電現(xiàn)象起電的研究有了突破。網(wǎng)上說（雷雨云起電條目下）：雷雨云中有冰存在的區(qū)域能產(chǎn)生強(qiáng)起電和閃電，但無冰存在的云內(nèi)偶爾也能產(chǎn)生強(qiáng)起電。觀測表明，一般情況下，大氣帶有正電荷，地面帶有負(fù)電荷，大氣中具有向下的電場。雷雨云中出現(xiàn)強(qiáng)對流，有大量冰雹粒子和冰晶粒子。在有向下的電場時(shí)，粒子中的正電荷中心沿電場方向移動(dòng)，負(fù)電荷中心逆著電場方向移動(dòng)，使粒子下半部帶正電荷，上半部帶負(fù)電荷，即電介質(zhì)極化。在有強(qiáng)對流的云中，冰雹粒子與冰晶粒子的質(zhì)量差異大，輕的冰晶粒子在上升氣流的作用下向上運(yùn)動(dòng)，而重的冰雹粒子克服上升氣流向下運(yùn)動(dòng)。冰雹粒子和冰晶粒子碰撞接觸，冰雹粒子下部的正電荷和冰晶粒子上部的負(fù)電荷中和。分離后，冰雹粒子下部失去正電荷而帶負(fù)電荷，冰晶粒子失去上部的負(fù)電荷而帶正電荷。通過重力分離，帶正電荷的冰晶粒子隨上升氣流向云的上部運(yùn)動(dòng)，帶負(fù)電荷的冰雹粒子因很重，在重力作用下克服上升氣流向云的下部運(yùn)動(dòng)，使云的上部和下部分別帶上正電和負(fù)電。
上面這段話說明了有冰存在的區(qū)域的起電過程，整個(gè)過程是在有向下的電場下發(fā)生的。地面上空為什么會有向下的電場呢？2012年6日筆者談到這一問題【2】。地磁場中的偶極子場可以看作一個(gè)通電螺線管的磁場，這個(gè)螺線管的軸線就是地軸。這個(gè)螺線管中的電荷的圓周運(yùn)動(dòng)是以太陽為參照物觀察的結(jié)果，所以這個(gè)環(huán)形電流的磁場相對于太陽是靜止的。這就像有絕緣皮的通電螺線管，通入穩(wěn)恒電流，它的電荷定向移動(dòng)是以絕緣皮為參照物的，通電螺線管的磁感線相對于絕緣皮是靜止的。由于偶極子場的磁感線相對太陽靜止，而地球相對太陽在向東轉(zhuǎn)動(dòng)，（朝太陽一面的地面相對太陽在向東運(yùn)動(dòng)）這樣地面上的偶極子場的磁感線相對于地面就在飛快地在向西運(yùn)動(dòng)�？諝庵锌傆幸恍╇x子和其他帶電微粒。在空中取一個(gè)豎直的氣柱，則這個(gè)氣柱相對于偶極子場的磁感線就飛快地在向東運(yùn)動(dòng)，氣柱運(yùn)動(dòng)切割偶極子場的磁感線。根據(jù)右手定則，氣柱中的帶電粒子就會定向移動(dòng)形成向上的電流，其中帶正電荷的粒子向上運(yùn)動(dòng)到高空，帶負(fù)電荷的粒子向下運(yùn)動(dòng)到達(dá)地面，使地面帶上凈的負(fù)電荷，這樣地面上就出現(xiàn)了向下的電場。不隨地球自轉(zhuǎn)的偶極子場使地面上有了向下的電場，這個(gè)電場導(dǎo)致雷雨云中有冰存在的區(qū)域中的起電過程。
無冰存在的云內(nèi)也能產(chǎn)生強(qiáng)起電，這里所說的無冰應(yīng)該是指無冰雹粒子。夏天和秋天，赤日炎炎，萬里無云，沒有一絲風(fēng)，地面被曬得滾燙，水分大量蒸發(fā)，地面上生成大量暖濕氣體，形成上升的暖濕氣流。氣流升到高空遇冷，水蒸氣凝結(jié)成大量的小水珠，有的直接凝華成小冰晶，形成的烏云就是雷雨云�？諝庵械乃嵝匝趸锶芙獾剿�，水里就出現(xiàn)了正﹑負(fù)離子。由于相對運(yùn)動(dòng)的偶極子場的作用，使水珠的上部出現(xiàn)正電荷，下部出現(xiàn)負(fù)電荷。這時(shí)水珠受到小冰晶撞擊發(fā)生分裂時(shí)，上部會形成帶正電荷的小水珠，下部會形成帶負(fù)電荷的小水珠。這些帶電小水珠又形成向上的電流，使正電荷到達(dá)雷雨云的上部，負(fù)電荷到達(dá)雷雨云的下部。這個(gè)過程和地面上向下的電場形成的過程相似。這時(shí)的偶極子場和雷雨云就構(gòu)成了一臺發(fā)電機(jī)，雷雨云的上﹑下兩側(cè)就是它的正﹑負(fù)電極。在雷雨云發(fā)展過程中逐漸形成三個(gè)帶電區(qū)域：6公里高的強(qiáng)的帶正電的區(qū)域，3公里高的帶負(fù)電的區(qū)域，1.5公里高的弱的帶正電區(qū)域（來自網(wǎng)上）。下面的弱的帶正電區(qū)域的存在，表明在更低的區(qū)域出現(xiàn)了小水珠和小冰晶。上升的暖濕氣流形成后，氣流中心的氣體上升速度最大，往外上升氣體的速度逐漸減小。在上升氣流中心之外取一個(gè)帶負(fù)電荷的水珠，它受到的洛倫茲力方向向下，再加上它本身的重力作用，它運(yùn)動(dòng)的速度比周圍空氣分子的速度要小很多。這個(gè)水珠的內(nèi)側(cè)（靠近氣流中心一側(cè)）分子向上運(yùn)動(dòng)的速度比外側(cè)（遠(yuǎn)離氣流中心一側(cè)）分子向上運(yùn)動(dòng)的速度大。這樣在一定時(shí)間內(nèi)，它的內(nèi)側(cè)受到空氣分子的撞擊比外側(cè)受到空氣分子的撞擊多，并且每次內(nèi)側(cè)比外側(cè)受到的平均撞擊作用更大。這樣這個(gè)帶負(fù)電荷的水珠就會向氣流外側(cè)運(yùn)動(dòng)以至于離開上升氣流。這個(gè)水珠若在1.5公里高到3公里高處，它離開上升氣流后會落到地面形成降雨。水珠落到地面帶走了一些負(fù)電荷，雷雨云中的負(fù)電荷少于正電荷。在1.5公里高到3公里高以上的上升氣流中只有帶凈的正電荷。當(dāng)雷雨云上﹑下兩側(cè)電壓達(dá)到伏左右時(shí)【3】，這臺發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢和兩極間的電壓相等。但強(qiáng)勁的上升氣流仍能把源源不斷地送來的帶正電荷的小水珠送到雷雨云頂端，使雷雨云兩側(cè)電壓持續(xù)增大。這時(shí)的偶極子場、雷雨云和暖濕氣流就構(gòu)成了一臺范德格喇夫起電機(jī)。1.5公里高到3公里高以上的一段上升氣流能不斷提供正電荷，它相當(dāng)于范德格喇夫起電機(jī)中的低壓電源。整個(gè)上升氣流成為這臺起電機(jī)的傳送帶。風(fēng)（空氣的水平方向移動(dòng)）會破壞上升氣流的結(jié)構(gòu)，使帶負(fù)電荷的水珠和帶正電荷的水珠的分離終止。這讓我們?nèi)菀桌斫膺@種劇烈的放電現(xiàn)象之前一定是沒有風(fēng)的。
以上我們從偶極子場出發(fā)對雷電現(xiàn)象中的起電過程分兩種情況進(jìn)行了討論，解開了雷雨云中的起電之謎。在這個(gè)過程中我們窺探到了撲朔迷離的偶極子場的蹤影。
利用本文的地磁場理論，我們不僅說明了地磁場的歷史和現(xiàn)狀，指出了地磁場變化的前景，還有力地說明了雷電現(xiàn)象中的起電過程。
地核中的自由電子擴(kuò)散導(dǎo)致了地磁場。地幔中帶的負(fù)電荷和地核中帶的正電荷隨地球自轉(zhuǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)，形成了偶極子場；偶極子場使地殼中的鐵磁化，形成了非偶極場，偶極子場和非偶極場合成為地磁場。大陸漂移改變了磁極的位置，形成了現(xiàn)在的地磁場。
參考文獻(xiàn)
【1】再探地磁起源 科學(xué)智慧火花 中科院主辦 2011年9月2日
【2】地磁場的特點(diǎn) 科學(xué)智慧火花 中科院主辦 2012年6月12日
【3】揭開雷電現(xiàn)象中的秘密 科學(xué)智慧火花 中科院主辦 2015年8月4日
責(zé)編：微科普