太阳系磁场探索(1)—行星磁场的成因及我们的新观点

司 今（[email protected])

【作者按】宇宙是一个统一的大磁场，万物都在磁的海洋中运行，太阳系各行星的运动也不例外；因此，抓住磁场这一主题，深入探讨太阳磁场与行星磁场产生及其相互作用的物理机理，将是解开太阳系之谜的关键！

银河系

本系列文章正是本着这一思路展开的，这里首先介绍行星磁场的形成及其特征，并给出我们的新观点，以期与仰望星空的朋友们真诚学习和交流。

银河系中心磁场

一、引言

我们熟悉而又陌生的太阳系是银河系的小小部分，银河系是一个棒旋星系，直径十万光年，包括一千亿到四千亿恒星。太阳是银河系较典型的恒星，离星系中心大约2.5-2.8万光年。太阳系移动速度约220㎞/s，2.26亿年转一圈。

太阳系运动

如果说地球是我们赖以生存的家园，那么太阳系就是我们宇宙探索的起点......

行星绕太阳的运动

太阳系中的八大行星都位于差不多同一平面的近圆轨道上运行，朝同一方向绕太阳公转；除金星以外，其他行星的自转方向和公转方向相同；彗星的绕日公转方向大都相同，多数为椭圆形轨道，一般公转周期比较长......

太阳系行星运动：图源，新浪博客：“心香一瓣”

就目前天文观测结果可以看出，太阳系的行星都有以下几个共性：

1、行星都有公转和自旋

2、行星自旋轴与太阳自旋轴存在夹角

3、行星都有磁场和磁轴（只有金星不明显）

4、行星自旋轴与其磁轴都有夹角存在

......，......，......

面对这几个主要现象，目前物理学都还不能给出合理解释。

地球自旋轴与磁轴

本着“大胆假设，小心求证”的探索理念，这里我们先从行星磁场形成的物理机制问题展开讨论，至于其他几个问题则放在后续文章中再做探讨吧！

行星磁场与太阳磁场的相互作用

我们知道，行星周围空间都有磁场存在，但对这些磁场产生的物理机理，至今仍是个迷。

二、天文学几种“行星磁场形成理论”简介

目前，天文学关于行星磁场产生原因有多种假说，这些假说虽能够解释一些现象，但都有它们的理论缺陷，故这些行星磁场理论还只能算是一些“理论假设”而已。

行星磁场一般形式

根据现代电磁理论：磁场是由运动的电场产生的，据此给出几种电场产生磁场的具体形式：

1、分子电流——分子、原子内的电子绕核旋转而产生磁场，这是永磁体磁场的产生机理；

2、普通电流——这是普通电磁铁产生磁场的机理；

3、点电荷的机械运动——这是罗兰实验中罗兰盘产生磁场的机理。

4、旋转磁矩——这是1947年布莱克特提出的，任意一个旋转体都具有磁矩，它与旋转体内是否存在电荷无关，但最后他又声明放弃这种假说。

目前，关于行星磁场的产生的原因无非就是上述几种解释。

地球磁场立体描述

1、行星磁场是由分子电流产生

安培分子电流假说

此观点认为：行星内部存在着一个巨大的铁镍质的永磁体核心，是它产生了行星磁场。

对于这个观点有人提出了否定的理由：他们认为永磁体是有居里点的，即永磁体在一定的温度下将失去磁性。铁镍永磁体的居里点约770摄氏度，而许多行星内部的温度普遍超过1000摄氏度，在这个温度下铁镍永磁体早已失去了磁性。所以，行星磁场来源于行星内部永磁体的观点已逐渐不被人接受。

2、行星磁场是由恒定电流产生

直流电磁场效应

该假说认为地核是一个带正电荷的等离子体 。行星核中央部分由于高温高压而将电子“挤”出来，使它带正电荷；行星核外层是一个全部由电子充满的壳层。这个壳层是超导体，是超导体永不衰减的电流产生了行星的磁场。

超导电流形成磁场

这个假说符合一定的科学道理，也能解释一些现象，是一种比较有前途的假说。

3、行星磁场是由做宏观机械运动的点电荷产生

罗兰圆盘实验

这种观点本质是与罗兰实验中转动罗兰盘能够产生磁场的物理机理思想是一致的。

前两种假说都难以解释行星磁场的强度和行星的自转密切相关的现象。

这里要重点说说这种假说的利与弊，因为它与第四种假说有交叉性：

关于所带电荷的来源，这种假说有两个不成熟的观点：

观点一：从太阳风中不均等的俘获带电粒子

观点二：压电陶瓷原理，从行星的核心部位压出电荷

太阳风

观点一，电荷是来自于太阳风。

当这些电荷被俘获后，它们必然的必然分布于行星的外层大气的某个圈层，并且必然随着随着行星的自转而和大气层一起绕行星自转轴做圆周运动，这些做圆周运动的电荷必然产生一个磁场，这个磁场可能就是行星磁场的来源。

这里必须解释两个本观点中提到的问题：

1 、电荷为何分布在外层大气？

2、为什么行星会选择性的俘获太阳风中的某种电荷？

对于问题一：基于这样一个常识，如果一个物体带上了电荷，这些电荷必然由于排斥作用而分布于物体的外围。同样，如果行星带上了某种电荷，这些电荷由于排斥作用而分布于行星大气的外围，即外层大气。

对于问题二：我认为太阳风中的正负电荷是等量的，行星是如何选择俘获其中的某种粒子的呢？基于物质拥有电负性（是化学上的概念，和负电荷是两码事），即不同的原子同带电粒子的作用力是不同的。例如：一个中性的氧原子或氧分子，可能会和一个电子或质子发生电磁作用，但他们的作用力的大小是不一样的。氧的电负性大，它必然倾向去俘获一个电子而不是一个质子。同理，钾原子则应倾向俘获一个正电荷而不是一个负电荷。从行星的物质组成来看，氧站49%、硅占26、其它金属性比较强的元素的总和也 不到20%，所以从行星的总体来看，电负性比较强的元素占比较高的比例。并且在行星的外层——行星大气是多种元素组成的混合体，可能是由于物质比例的不均衡，最终导致行星倾向于俘获负电荷。这些负电荷由于前述的原因而集中在行星外层大气（可能是在电离层），当它们随着行星自转而和大气层一起绕地轴做圆周机械运动时，必然产生一个磁场，产生的磁场可能就是行星磁场。 如果有另一颗行星，它的物质组成和行星不同，它就可能带上和行星相反的电荷。即使它的自转方向和行星相同，也有可能形成和行星方向相反的磁场。同理，自转方向不同的行星，也可能会形成和行星方向相同的磁场。

行星磁场强度应该取决于自转速度、行星半径、大气层厚度等几个因素。

所以，如果使用本假说就很好的与如下现象相吻合：

1、 金星为何几乎没有磁场？

2、 为何类木行星拥有强大的磁场？

问题一容易解答：根据上述假说金星因为自转速度过慢（慢于公转速度）所以存在磁场重联现象，金星磁层就像是一个缩小的规模的地球磁场。

太阳系中唯一一颗没有明显磁场的行星—金星

如果根据观点二：压电陶瓷原理，从行星的核心部位压出电荷。或者说，本假说可以说是对假说二的一种发展。也就是：假说二中的恒定电流假说中，虽然解决了电荷的来源问题，但无法解决恒定的电流的推动力问题。因为理论上说，在一个超导的环形导线里，只要有电流产生，如果不受到外界的影响就不会停止，也能够产生一个恒定的磁场。所以该理论的观点也遇到了一个问题，即：拥有了超导体，但是没有一个电源，什么为它们提供合适的电压，或者说是什么为它们提供了一个电流的原始推动力的问题。

行星磁场形成的罗兰圆盘模拟

如果借用该假说的电荷来源，或者说根据压电陶瓷原理。这些聚集的电荷由于行星的自转而做机械运动而产生一个磁场，这个磁场可能就是行星磁场的来源。由于负电荷集中在外围，它的随地球自转而做圆周运动的线速度必然会比内部的正电荷的线速度要大。产生的磁场自然要比内部的要强。内部的正电荷的数量虽然和外围的负电荷基本相等，由于它们位于内部，半径相对比较小，它们随地球自转而拥有的线速度必然比较小，所以它所产生的磁场必然比负电荷产生的磁场弱。虽然磁场方向和负电荷产生的磁场相反，仍不能够完全抵消负电荷所产生的磁场。这样两种方向的磁场的矢量和必然表现为负电荷随行星自转所产生的磁场。

地球是太阳系的八大行星之一，她的磁场的产生机理应该也是这样的。

4、行星磁场是由行星自旋产生

1947年，布莱克特提出任意一个旋转体都具有磁矩，它与旋转体内是否存在电荷无关。这一假说认为，地球和其他天体的磁场都是在旋转中产生的，也就是说星体自然生磁，就好像电荷转动能产生磁场一样。但是，这一假说在试验和天文观测两方面都遇到了困难。在现有的实验条件下，还没有观察到旋转物体产生的磁效应。而对天体的观测结果表明，每个星球的磁场分布状况都很复杂，尚不能证明星球的旋转与磁场之间存在着必然的依存关系。

自旋陀螺

三、我们的行星磁场产生观

从上述介绍与分析可见，第三与第四种观点都较“符合”一些实际，但都有缺陷，对此，我们将这二种观点进行综合考虑，提出的观点是：

行星自旋磁场之间的相互作用

从九大行星有关数据来看，行星磁场强度和行星自转有密切相关；例如：金星，它和地球其它参数很接近，但是它的自转速度很慢，几乎没有磁场；而自转周期很短的行星几乎都有强磁场，如：木星、土星等；所以，我们认为，行星磁场来源于本身所具有的质量与其自旋角速度。

太阳系行星体

我们把行星看作是一个“类刚体”，依据我们的“自旋生磁”理论，则行星自旋所产生的磁量大小可以用qm=mω来定量，如果是类似罗兰圆盘那样的旋转，则可以用qm=mΩ来予以描述。

自旋生磁：qm=mω

例如：微观粒子都有自旋性，同时也都有自旋磁矩存在；宏观天体也都有自旋，同时也应有磁场存在，天文观测也证实了这一观点，而且天体所具有的磁场强弱也确实与其自旋角速度大小有关。

电子自旋与磁矩

如中子星由于其自旋快、质量大，虽其体积很小但却有极大的磁荷量，故它会在其周围空间表现出极强的磁场分布，强大的自旋磁场使它对周围其它存在物体产生强大的吸引力；又如木星、土星、海王星等，因其自旋速度和质量都比地球大，故其表现出的自旋磁场就比地球强，再如金星虽质量比火星、水星大，但因其自旋速度较小，故其表现出的自旋磁场就比火星、水星弱。

中子星的自旋与磁场

再以金星与火星比较为例，设金星质量为m(金)、自旋角速度为ω(金)，火星质量为m(火)、自旋角速度为ω(火)，依据qm=mω计算，则得：q(金)=m(金)ω(金)=4.83×10^24×2π/243×24＜q(火)=m(火)ω(火)=6.4×10^23×2π/24.6，故金星表现的磁场性就比火星要弱。

逆自旋的金星

四、目前天文学对行星磁场的认识与新发现

关于行星磁场，除地磁场外，只有零星的初步知识。由于空间探测技术的发展，情况正在迅速改变。到目前为止，已对水星、金星、火星、木星和土星的磁场作了空间探测。

“水手”10号发现水星具有远比火星、金星强大得多的磁场。探测结果还表明，与磁强计所得曲线十分符合的水星磁矩为5.2×1022电磁单位，即不到地球磁矩的1/1500。水星磁极的极性与地球相同，偶极矩指向南；磁轴和自转轴交角约12°；赤道表面的场强为4×10-3高斯。业已肯定水星磁场是这个行星本身所固有的，但对其起源的解释还有争议。

磁场间的相互作用拉伸了木星最外侧的环

迄今为止，行星际探测还没有发现金星拥有固有磁场的充足证据，只是发现金星附近的太阳风激波。这种激波的位形可以用太阳风直接同金星大气的顶部碰撞来解释。激波后的湍流和小尺度磁场是由太阳风同金星相互作用引起的。但1976年C.T.罗素则认为一个磁矩为1.4×1023电磁单位的偶极场更能说明所获得的空间观测资料。这个问题还有待进一步的研究。行星际探测器“火星”2号、3号和5号对火星的探测获得了火星拥有磁场的证据。磁矩是2.5×1022电磁单位，是地球磁矩的1/3000；赤道表面磁场强度为0.6×10-3高斯；磁极的极性与地球相反，即偶极矩指向北；磁轴与自转轴交角为15°。但是，C.T.罗素于1978年重新分析了空间探测资料以后，认为观测到的磁场只是围绕火星的被压缩了的行星际磁场。因此，火星是否有固有磁场，尚无定论。在类木行星中已获得木星磁场和土星磁场的证据。

与土星炫目壮观的光环相比，木星昏暗的光环显得很不起眼，但它却让天文学家困惑了许多年，原因就在于其外层光环的不对称性。如今，研究人员报告说，木星强大磁场和太阳光能量效应之间的“拉锯战”使这颗行星的外环产生了形变。这一发现将有助于改变对形成环绕土星和其他行星的环的力的认识。

人们在地球上很难发现木星环。1979年，美国的两艘“航行者”探测器飞抵木星，借助太阳从背后发出的光线，天文学家首次发现了木星环。观测表明，木星环大约有13万公里宽，或者说接近于著名的土星环的一半。这两个行星环还有一个差别，那就是它们的形状。土星能够保持土星环的形状，而木星环的最远端却向外延伸至木卫十四（Thebe）。

木星光环与磁场

如今，两位天文学家认为他们已经找到了问题的答案。美国学院公园市马里兰大学的DouglasHamilton和德国海德尔堡马普学会核物理研究所的HaraldKrüger，分析了之前由美国宇航局（NASA）的伽利略太空船发回的数据——这艘太空船在2003年坠入行星大气之前曾短暂拜访木星环。研究人员在5月1日出版的英国《自然》杂志上报告了这一研究成果。他们发现，行星环中的微粒缓慢围绕木星运转，它们从来自太阳光的能量中获得了一个电荷。随后，当这些微粒坠入木星的阴影区后，它们便会受到来自行星强大磁场的几个方向的牵引。最终的结果是使木星环背侧的轨道远离木星，直至到达木卫十四。

土星与土星环

那么，土星环为什么没有出现类似的变形现象呢？这是因为木星磁场强度是土星磁场强度的10倍，且到达木星的太阳光也比土星更为强烈。Hamilton解释说，这两种效应作用的最终结果使得木星的阴影区变得更加重要。

作为NASA的卡西尼号探测器科学团队中的一员，康奈尔大学的天文学家JosephBurns说：“科学家终于搞清了木星环的奥秘，这一发现具有重要的意义。”卡西尼号探测器如今正在围绕土星运转，Burns希望，它能够在土星环中发现类似的——也许很细微的特征。

五、目前天文学对行星磁场研究得出的结论

1、星球磁场的大小，与内核的质量(密度)，内核半径成正比。类地行星的极区磁场强度计算值与实测值基本相符，说明共旋理论的思路正确。计算值与实测值稍有不符之处有水星和火星，水星的磁场强度计算值小了，其原因是水星的星核半径按二比一的计算估计值小了，实际为五比四。而火星的星核半径按二比一的计算估计值却又大了，由于火星的外壳很厚，星核半径比为三比一，故火星的极区磁场强度计算值比实测值要大。改动后计算值与实测值就基本相符。

行星磁场与核密度、半径等有关

2、类地行星都是重金属导体内核的自转星球，均会“共旋起电”，会在核面的不同卦面产生不同电荷、形成不同电位；从而产生涡电流使外核熔融成为液态。星核在产生涡电流的同时，也向空间泄漏，使类地行星保持一个带负电的准静电球体。因带负电荷的星球逆时针旋转与正电荷顺时针旋转等效，因此水星、火星的磁场方向与地球磁场一样，它们的磁场极性：其N极在星球的南极，磁场的磁力线，在星球内部是地理北极指向南极，在星球的外空间是由星球南极指向北极，与自旋方向成右手螺旋(大拇指指向N极)关系。而金星是逆向自旋，故其磁场方向与地球相反。

强大的木星磁场

3、星球磁场的大小，与星球自转的角速度成正比，自转角速度慢的星球，其磁场强度均很小，如金星磁场强度的计算值为地球值的千分之一，实测值是零。究其原因是带负电的准静电金星星球，球外容易聚集带正电荷的金属离子，随金星自转的金星大气，金星磁场对跟随金星自转大气中的带负电的电子，在洛伦兹力的作用下会令电子发散到外空间；而对带正电的离子起吸附、会聚作用。带正电的金属离子也有屏蔽磁场的作用，且金星磁场方向与其它类地行星相反，故不易被探测到。

4、星球磁场方向与金属导体内核的物质电结构和自旋的方向有关。重金属导体内核与金属氢(超导)内核的行星同方向旋转所产生的磁场方向是方向相反的。星球磁场方向对跟随星球自转大气中的粒子影响很大，如金星、木星和土星的磁场方向与其它类地行星的磁场方向相反，对跟随星球自转大气中的带负电的电子，在洛伦兹力的作用下会使电子发散到外空间；而对带正电的离子起吸附、会聚作用。这正是这三个行星有浓密大气层的原因。因起电量很大，故金星、木星等星球大气中均会出现电闪雷鸣的现象。木星、土星上美丽的星环也可能是这两个行星强大的磁场带来的洛伦兹力和这两个行星的共旋梯力联合作用的结果。

5、地磁场，即把地球视为一个磁偶极子（magnetic dipole），其中一极位在地理北极附近，另一极位在地理南极附近，此两极所产生的磁场即为地磁场；通过这两个磁极的磁轴与地球的自转轴大约成10度的倾斜。地磁场的成因或许可以由发电机原理解释。地磁场在地表强度为0.25高斯到0.65高斯，向太空则伸出数万公里形成地球磁圈(magnetosphere)，有防护太阳风的作用。地磁场来源于地核外核的铁镍流体的涡电流。

地球自旋与磁轴有11.5°夹角

地磁场不是毫无变化的，它的强度与地磁极位置会改变。地表上的地磁场强度并不均匀，强度因地理位置而有所变化：从0.3高斯（南美地区和南非）到0.6高斯（加拿大的磁北极附近，澳大利亚南部和一部分西伯利亚地区）。

地磁场类似磁铁棒，但是这种相似只是粗略的。磁铁棒或是其它永久磁铁的磁场是由于铁原子中的电子有序的运动而形成的。然而，地核的温度高于居里点（铁的居里点：绝对温度1043K），铁原子的电子轨道的方向会变得随机化，这样的随机化会使得物质失去它的磁场。因此地磁场的成因并不是由于有磁性的铁矿，主要的因素是大地电流。

另一项地磁场与磁棒不同的特征是地磁场的磁圈。磁圈与地球有一段距离，与地磁场表面有关。此外，在地核中的磁化的组成成分是转动的而不是静止的。[1-3]

六、太阳系中各行星的磁场数据

太阳系的行星磁场

1、水星：目前人们也发现水星上存在磁场，远比地球磁场弱。 磁矩为5.2×1022电磁单位，即不到地球磁矩的1/1500

2、金星：存在磁场重联现象，金星磁层就像是一个缩小的规模的地球磁场。金星表面上的磁场比地磁场小很多，相当于月球的磁场。特别值得一提的是，由于它的自转方向与地球的相反，那么由于自转引起的磁场应该与地球的磁场方向相反。

3、地球：地磁场强度相对木星、土星等较弱,它最强的两极强度不到10-4(T), 平均强度约为0.6x10-4(T), 且会随地点或时间变化而变化, 因此常用(γ), 即10-9(T)做为磁场强度单位。

地球磁场

3、火星：绝大部分区域都存在条状的磁性部分。其中磁信号最强的是南部高地，其他区域也存在有磁效应。另外，北部低地和Tharsis火山区是两个最明显没有磁性的地方。火星的磁场比地磁场小很多。它是地磁场的六分之一到三分之一之间。

4、木星：磁矩是地球的18,000倍 ，木星的磁场是地球的50-100倍；

5、土星：有一个简单的具有对称形状的内在磁场——一个磁偶极子，比地球的磁场微弱一点 ，土星的磁场是地球的17-34倍；

6、天王星：天王星的磁场是地球的3-6倍；

7、海王星：海王星的磁场是地球的4-8倍；

8、冥王星：(矮行星)的磁场与月球相似。

在太阳系中，由残留铁磁和行星内部电流产生的电磁场组成的磁场是行星的最基本特性之一。

地球的磁场为偶极场,场强30000～70000纳特,赤道磁场平均值为30800纳特,偶极子与行星自转轴间的夹角为11.5°。

未发现月球的全球性磁场，局部月壳的剩磁强度范围约为6～300纳特。

水星磁场强度约为350～700纳特。金星有一个微弱的磁场,磁矩约为地球的0.00005。

火星磁场强度约为60纳特。

木星表面的磁场强度，北半极为1.4×10(纳特，南半极为1.1×10(纳特,磁场大致为偶磁场，但比地球更不规则。

土星的磁矩介于木星和地球之间，比地球大550倍，而约为木星的1/35。

〔1〕、行星磁场_360百科 https://baike.so.com/doc/5763114-5975881.html

〔2〕、司今《物质自旋与力的形成》：https://www.toutiao.com/i6647087712715145742/

〔3〕、刘学富/主编《基础天文学》，高等教育出版社2004年第1版。

下期系列预告（暂定）：敬请关注！

太阳系磁场探索(2)—太阳磁场的成因及我们的新观点

太阳系磁场探索(3)—地球磁场的成因及我们的新观点

太阳系磁场探索(4)—天王星磁场成因及其“躺倒公转”的原因分析

太阳系磁场探索(5)—太阳黑子与耀斑成因及11年周期变化原因分析

太阳系磁场探索(6)—地球万有引力G11年周期变化的原因分析

太阳系磁场探索(7)—行星黄赤交角的形成及自旋轴倾斜的成因分析

太阳系磁场探索(8)—行星运行轨道为什么都处于太阳赤道平面上下？

......

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