太陽系磁場探索(1)—行星磁場的成因及我們的新觀點
司 今（[email protected])
【作者按】宇宙是一個統一的大磁場，萬物都在磁的海洋中運行，太陽系各行星的運動也不例外；因此，抓住磁場這一主題，深入探討太陽磁場與行星磁場產生及其相互作用的物理機理，將是解開太陽系之謎的關鍵！
銀河系
本系列文章正是本著這一思路展開的，這裡首先介紹行星磁場的形成及其特徵，並給出我們的新觀點，以期與仰望星空的朋友們真誠學習和交流。
銀河系中心磁場
一、引言
我們熟悉而又陌生的太陽系是銀河系的小小部分，銀河系是一個棒旋星系，直徑十萬光年，包括一千億到四千億恆星。太陽是銀河系較典型的恆星，離星系中心大約2.5-2.8萬光年。太陽系移動速度約220㎞/s，2.26億年轉一圈。
太陽系運動
如果說地球是我們賴以生存的家園，那麼太陽系就是我們宇宙探索的起點......
行星繞太陽的運動
太陽系中的八大行星都位於差不多同一平面的近圓軌道上運行，朝同一方向繞太陽公轉；除金星以外，其他行星的自轉方向和公轉方向相同；彗星的繞日公轉方向大都相同，多數為橢圓形軌道，一般公轉週期比較長......
太陽系行星運動：圖源，新浪博客：“心香一瓣”
就目前天文觀測結果可以看出，太陽系的行星都有以下幾個共性：
1、行星都有公轉和自旋
2、行星自旋軸與太陽自旋軸存在夾角
3、行星都有磁場和磁軸（只有金星不明顯）
4、行星自旋軸與其磁軸都有夾角存在
......，......，......
面對這幾個主要現象，目前物理學都還不能給出合理解釋。
地球自旋軸與磁軸
本著“大膽假設，小心求證”的探索理念，這裡我們先從行星磁場形成的物理機制問題展開討論，至於其他幾個問題則放在後續文章中再做探討吧！
行星磁場與太陽磁場的相互作用
我們知道，行星周圍空間都有磁場存在，但對這些磁場產生的物理機理，至今仍是個迷。
二、天文學幾種“行星磁場形成理論”簡介
目前，天文學關於行星磁場產生原因有多種假說，這些假說雖能夠解釋一些現象，但都有它們的理論缺陷，故這些行星磁場理論還只能算是一些“理論假設”而已。
行星磁場一般形式
根據現代電磁理論：磁場是由運動的電場產生的，據此給出幾種電場產生磁場的具體形式：
1、分子電流——分子、原子內的電子繞核旋轉而產生磁場，這是永磁體磁場的產生機理；
2、普通電流——這是普通電磁鐵產生磁場的機理；
3、點電荷的機械運動——這是羅蘭實驗中羅蘭盤產生磁場的機理。
4、旋轉磁矩——這是1947年布萊克特提出的，任意一個旋轉體都具有磁矩，它與旋轉體內是否存在電荷無關，但最後他又聲明放棄這種假說。
目前，關於行星磁場的產生的原因無非就是上述幾種解釋。
地球磁場立體描述
1、行星磁場是由分子電流產生
安培分子電流假說
此觀點認為：行星內部存在著一個巨大的鐵鎳質的永磁體核心，是它產生了行星磁場。
對於這個觀點有人提出了否定的理由：他們認為永磁體是有居里點的，即永磁體在一定的溫度下將失去磁性。鐵鎳永磁體的居里點約770攝氏度，而許多行星內部的溫度普遍超過1000攝氏度，在這個溫度下鐵鎳永磁體早已失去了磁性。所以，行星磁場來源於行星內部永磁體的觀點已逐漸不被人接受。
2、行星磁場是由恆定電流產生
直流電磁場效應
該假說認為地核是一個帶正電荷的等離子體 。行星核中央部分由於高溫高壓而將電子“擠”出來，使它帶正電荷；行星核外層是一個全部由電子充滿的殼層。這個殼層是超導體，是超導體永不衰減的電流產生了行星的磁場。
超導電流形成磁場
這個假說符合一定的科學道理，也能解釋一些現象，是一種比較有前途的假說。
3、行星磁場是由做宏觀機械運動的點電荷產生
羅蘭圓盤實驗
這種觀點本質是與羅蘭實驗中轉動羅蘭盤能夠產生磁場的物理機理思想是一致的。
前兩種假說都難以解釋行星磁場的強度和行星的自轉密切相關的現象。
這裡要重點說說這種假說的利與弊，因為它與第四種假說有交叉性：
關於所帶電荷的來源，這種假說有兩個不成熟的觀點：
觀點一：從太陽風中不均等的俘獲帶電粒子
觀點二：壓電陶瓷原理，從行星的核心部位壓出電荷
太陽風
觀點一，電荷是來自於太陽風。
當這些電荷被俘獲後，它們必然的必然分佈於行星的外層大氣的某個圈層，並且必然隨著隨著行星的自轉而和大氣層一起繞行星自轉軸做圓周運動，這些做圓周運動的電荷必然產生一個磁場，這個磁場可能就是行星磁場的來源。
這裡必須解釋兩個本觀點中提到的問題：
1 、電荷為何分佈在外層大氣？
2、為什麼行星會選擇性的俘獲太陽風中的某種電荷？
對於問題一：基於這樣一個常識，如果一個物體帶上了電荷，這些電荷必然由於排斥作用而分佈於物體的外圍。同樣，如果行星帶上了某種電荷，這些電荷由於排斥作用而分佈於行星大氣的外圍，即外層大氣。
對於問題二：我認為太陽風中的正負電荷是等量的，行星是如何選擇俘獲其中的某種粒子的呢？基於物質擁有電負性（是化學上的概念，和負電荷是兩碼事），即不同的原子同帶電粒子的作用力是不同的。例如：一箇中性的氧原子或氧分子，可能會和一個電子或質子發生電磁作用，但他們的作用力的大小是不一樣的。氧的電負性大，它必然傾向去俘獲一個電子而不是一個質子。同理，鉀原子則應傾向俘獲一個正電荷而不是一個負電荷。從行星的物質組成來看，氧站49%、硅佔26、其它金屬性比較強的元素的總和也 不到20%，所以從行星的總體來看，電負性比較強的元素佔比較高的比例。並且在行星的外層——行星大氣是多種元素組成的混合體，可能是由於物質比例的不均衡，最終導致行星傾向於俘獲負電荷。這些負電荷由於前述的原因而集中在行星外層大氣（可能是在電離層），當它們隨著行星自轉而和大氣層一起繞地軸做圓周機械運動時，必然產生一個磁場，產生的磁場可能就是行星磁場。 如果有另一顆行星，它的物質組成和行星不同，它就可能帶上和行星相反的電荷。即使它的自轉方向和行星相同，也有可能形成和行星方向相反的磁場。同理，自轉方向不同的行星，也可能會形成和行星方向相同的磁場。
行星磁場強度應該取決於自轉速度、行星半徑、大氣層厚度等幾個因素。
所以，如果使用本假說就很好的與如下現象相吻合：
1、 金星為何幾乎沒有磁場？
2、 為何類木行星擁有強大的磁場？
問題一容易解答：根據上述假說金星因為自轉速度過慢（慢於公轉速度）所以存在磁場重聯現象，金星磁層就像是一個縮小的規模的地球磁場。
太陽系中唯一一顆沒有明顯磁場的行星—金星
如果根據觀點二：壓電陶瓷原理，從行星的核心部位壓出電荷。或者說，本假說可以說是對假說二的一種發展。也就是：假說二中的恆定電流假說中，雖然解決了電荷的來源問題，但無法解決恆定的電流的推動力問題。因為理論上說，在一個超導的環形導線裡，只要有電流產生，如果不受到外界的影響就不會停止，也能夠產生一個恆定的磁場。所以該理論的觀點也遇到了一個問題，即：擁有了超導體，但是沒有一個電源，什麼為它們提供合適的電壓，或者說是什麼為它們提供了一個電流的原始推動力的問題。
行星磁場形成的羅蘭圓盤模擬
如果借用該假說的電荷來源，或者說根據壓電陶瓷原理。這些聚集的電荷由於行星的自轉而做機械運動而產生一個磁場，這個磁場可能就是行星磁場的來源。由於負電荷集中在外圍，它的隨地球自轉而做圓周運動的線速度必然會比內部的正電荷的線速度要大。產生的磁場自然要比內部的要強。內部的正電荷的數量雖然和外圍的負電荷基本相等，由於它們位於內部，半徑相對比較小，它們隨地球自轉而擁有的線速度必然比較小，所以它所產生的磁場必然比負電荷產生的磁場弱。雖然磁場方向和負電荷產生的磁場相反，仍不能夠完全抵消負電荷所產生的磁場。這樣兩種方向的磁場的矢量和必然表現為負電荷隨行星自轉所產生的磁場。
地球是太陽系的八大行星之一，她的磁場的產生機理應該也是這樣的。
4、行星磁場是由行星自旋產生
1947年，布萊克特提出任意一個旋轉體都具有磁矩，它與旋轉體內是否存在電荷無關。這一假說認為，地球和其他天體的磁場都是在旋轉中產生的，也就是說星體自然生磁，就好像電荷轉動能產生磁場一樣。但是，這一假說在試驗和天文觀測兩方面都遇到了困難。在現有的實驗條件下，還沒有觀察到旋轉物體產生的磁效應。而對天體的觀測結果表明，每個星球的磁場分佈狀況都很複雜，尚不能證明星球的旋轉與磁場之間存在著必然的依存關係。
自旋陀螺
三、我們的行星磁場產生觀
從上述介紹與分析可見，第三與第四種觀點都較“符合”一些實際，但都有缺陷，對此，我們將這二種觀點進行綜合考慮，提出的觀點是：
行星自旋磁場之間的相互作用
從九大行星有關數據來看，行星磁場強度和行星自轉有密切相關；例如：金星，它和地球其它參數很接近，但是它的自轉速度很慢，幾乎沒有磁場；而自轉週期很短的行星幾乎都有強磁場，如：木星、土星等；所以，我們認為，行星磁場來源於本身所具有的質量與其自旋角速度。
太陽系行星體
我們把行星看作是一個“類剛體”，依據我們的“自旋生磁”理論，則行星自旋所產生的磁量大小可以用qm=mω來定量，如果是類似羅蘭圓盤那樣的旋轉，則可以用qm=mΩ來予以描述。
自旋生磁：qm=mω
例如：微觀粒子都有自旋性，同時也都有自旋磁矩存在；宏觀天體也都有自旋，同時也應有磁場存在，天文觀測也證實了這一觀點，而且天體所具有的磁場強弱也確實與其自旋角速度大小有關。
電子自旋與磁矩
如中子星由於其自旋快、質量大，雖其體積很小但卻有極大的磁荷量，故它會在其周圍空間表現出極強的磁場分佈，強大的自旋磁場使它對周圍其它存在物體產生強大的吸引力；又如木星、土星、海王星等，因其自旋速度和質量都比地球大，故其表現出的自旋磁場就比地球強，再如金星雖質量比火星、水星大，但因其自旋速度較小，故其表現出的自旋磁場就比火星、水星弱。
中子星的自旋與磁場
再以金星與火星比較為例，設金星質量為m(金)、自旋角速度為ω(金)，火星質量為m(火)、自旋角速度為ω(火)，依據qm=mω計算，則得：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，故金星表現的磁場性就比火星要弱。
逆自旋的金星
四、目前天文學對行星磁場的認識與新發現
關於行星磁場，除地磁場外，只有零星的初步知識。由於空間探測技術的發展，情況正在迅速改變。到目前為止，已對水星、金星、火星、木星和土星的磁場作了空間探測。
“水手”10號發現水星具有遠比火星、金星強大得多的磁場。探測結果還表明，與磁強計所得曲線十分符合的水星磁矩為5.2×1022電磁單位，即不到地球磁矩的1/1500。水星磁極的極性與地球相同，偶極矩指向南；磁軸和自轉軸交角約12°；赤道表面的場強為4×10-3高斯。業已肯定水星磁場是這個行星本身所固有的，但對其起源的解釋還有爭議。
磁場間的相互作用拉伸了木星最外側的環
迄今為止，行星際探測還沒有發現金星擁有固有磁場的充足證據，只是發現金星附近的太陽風激波。這種激波的位形可以用太陽風直接同金星大氣的頂部碰撞來解釋。激波後的湍流和小尺度磁場是由太陽風同金星相互作用引起的。但1976年C.T.羅素則認為一個磁矩為1.4×1023電磁單位的偶極場更能說明所獲得的空間觀測資料。這個問題還有待進一步的研究。行星際探測器“火星”2號、3號和5號對火星的探測獲得了火星擁有磁場的證據。磁矩是2.5×1022電磁單位，是地球磁矩的1/3000；赤道表面磁場強度為0.6×10-3高斯；磁極的極性與地球相反，即偶極矩指向北；磁軸與自轉軸交角為15°。但是，C.T.羅素於1978年重新分析了空間探測資料以後，認為觀測到的磁場只是圍繞火星的被壓縮了的行星際磁場。因此，火星是否有固有磁場，尚無定論。在類木行星中已獲得木星磁場和土星磁場的證據。
與土星炫目壯觀的光環相比，木星昏暗的光環顯得很不起眼，但它卻讓天文學家困惑了許多年，原因就在於其外層光環的不對稱性。如今，研究人員報告說，木星強大磁場和太陽光能量效應之間的“拉鋸戰”使這顆行星的外環產生了形變。這一發現將有助於改變對形成環繞土星和其他行星的環的力的認識。
人們在地球上很難發現木星環。1979年，美國的兩艘“航行者”探測器飛抵木星，藉助太陽從背後發出的光線，天文學家首次發現了木星環。觀測表明，木星環大約有13萬公里寬，或者說接近於著名的土星環的一半。這兩個行星環還有一個差別，那就是它們的形狀。土星能夠保持土星環的形狀，而木星環的最遠端卻向外延伸至木衛十四（Thebe）。
木星光環與磁場
如今，兩位天文學家認為他們已經找到了問題的答案。美國學院公園市馬里蘭大學的DouglasHamilton和德國海德爾堡馬普學會核物理研究所的HaraldKrüger，分析了之前由美國宇航局（NASA）的伽利略太空船發回的數據——這艘太空船在2003年墜入行星大氣之前曾短暫拜訪木星環。研究人員在5月1日出版的英國《自然》雜誌上報告了這一研究成果。他們發現，行星環中的微粒緩慢圍繞木星運轉，它們從來自太陽光的能量中獲得了一個電荷。隨後，當這些微粒墜入木星的陰影區後，它們便會受到來自行星強大磁場的幾個方向的牽引。最終的結果是使木星環背側的軌道遠離木星，直至到達木衛十四。
土星與土星環
那麼，土星環為什麼沒有出現類似的變形現象呢？這是因為木星磁場強度是土星磁場強度的10倍，且到達木星的太陽光也比土星更為強烈。Hamilton解釋說，這兩種效應作用的最終結果使得木星的陰影區變得更加重要。
作為NASA的卡西尼號探測器科學團隊中的一員，康奈爾大學的天文學家JosephBurns說：“科學家終於搞清了木星環的奧秘，這一發現具有重要的意義。”卡西尼號探測器如今正在圍繞土星運轉，Burns希望，它能夠在土星環中發現類似的——也許很細微的特徵。
五、目前天文學對行星磁場研究得出的結論
1、星球磁場的大小，與內核的質量(密度)，內核半徑成正比。類地行星的極區磁場強度計算值與實測值基本相符，說明共旋理論的思路正確。計算值與實測值稍有不符之處有水星和火星，水星的磁場強度計算值小了，其原因是水星的星核半徑按二比一的計算估計值小了，實際為五比四。而火星的星核半徑按二比一的計算估計值卻又大了，由於火星的外殼很厚，星核半徑比為三比一，故火星的極區磁場強度計算值比實測值要大。改動後計算值與實測值就基本相符。
行星磁場與核密度、半徑等有關
2、類地行星都是重金屬導體內核的自轉星球，均會“共旋起電”，會在核面的不同卦面產生不同電荷、形成不同電位；從而產生渦電流使外核熔融成為液態。星核在產生渦電流的同時，也向空間洩漏，使類地行星保持一個帶負電的準靜電球體。因帶負電荷的星球逆時針旋轉與正電荷順時針旋轉等效，因此水星、火星的磁場方向與地球磁場一樣，它們的磁場極性：其N極在星球的南極，磁場的磁力線，在星球內部是地理北極指向南極，在星球的外空間是由星球南極指向北極，與自旋方向成右手螺旋(大拇指指向N極)關係。而金星是逆向自旋，故其磁場方向與地球相反。
強大的木星磁場
3、星球磁場的大小，與星球自轉的角速度成正比，自轉角速度慢的星球，其磁場強度均很小，如金星磁場強度的計算值為地球值的千分之一，實測值是零。究其原因是帶負電的準靜電金星星球，球外容易聚集帶正電荷的金屬離子，隨金星自轉的金星大氣，金星磁場對跟隨金星自轉大氣中的帶負電的電子，在洛倫茲力的作用下會令電子發散到外空間；而對帶正電的離子起吸附、會聚作用。帶正電的金屬離子也有屏蔽磁場的作用，且金星磁場方向與其它類地行星相反，故不易被探測到。
4、星球磁場方向與金屬導體內核的物質電結構和自旋的方向有關。重金屬導體內核與金屬氫(超導)內核的行星同方向旋轉所產生的磁場方向是方向相反的。星球磁場方向對跟隨星球自轉大氣中的粒子影響很大，如金星、木星和土星的磁場方向與其它類地行星的磁場方向相反，對跟隨星球自轉大氣中的帶負電的電子，在洛倫茲力的作用下會使電子發散到外空間；而對帶正電的離子起吸附、會聚作用。這正是這三個行星有濃密大氣層的原因。因起電量很大，故金星、木星等星球大氣中均會出現電閃雷鳴的現象。木星、土星上美麗的星環也可能是這兩個行星強大的磁場帶來的洛倫茲力和這兩個行星的共旋梯力聯合作用的結果。
5、地磁場，即把地球視為一個磁偶極子（magnetic dipole），其中一極位在地理北極附近，另一極位在地理南極附近，此兩極所產生的磁場即為地磁場；通過這兩個磁極的磁軸與地球的自轉軸大約成10度的傾斜。地磁場的成因或許可以由發電機原理解釋。地磁場在地表強度為0.25高斯到0.65高斯，向太空則伸出數萬公里形成地球磁圈(magnetosphere)，有防護太陽風的作用。地磁場來源於地核外核的鐵鎳流體的渦電流。
地球自旋與磁軸有11.5°夾角
地磁場不是毫無變化的，它的強度與地磁極位置會改變。地表上的地磁場強度並不均勻，強度因地理位置而有所變化：從0.3高斯（南美地區和南非）到0.6高斯（加拿大的磁北極附近，澳大利亞南部和一部分西伯利亞地區）。
地磁場類似磁鐵棒，但是這種相似只是粗略的。磁鐵棒或是其它永久磁鐵的磁場是由於鐵原子中的電子有序的運動而形成的。然而，地核的溫度高於居里點（鐵的居里點：絕對溫度1043K），鐵原子的電子軌道的方向會變得隨機化，這樣的隨機化會使得物質失去它的磁場。因此地磁場的成因並不是由於有磁性的鐵礦，主要的因素是大地電流。
另一項地磁場與磁棒不同的特徵是地磁場的磁圈。磁圈與地球有一段距離，與地磁場表面有關。此外，在地核中的磁化的組成成分是轉動的而不是靜止的。[1-3]
六、太陽系中各行星的磁場數據
太陽系的行星磁場
1、水星：目前人們也發現水星上存在磁場，遠比地球磁場弱。 磁矩為5.2×1022電磁單位，即不到地球磁矩的1/1500
2、金星：存在磁場重聯現象，金星磁層就像是一個縮小的規模的地球磁場。金星表面上的磁場比地磁場小很多，相當於月球的磁場。特別值得一提的是，由於它的自轉方向與地球的相反，那麼由於自轉引起的磁場應該與地球的磁場方向相反。
3、地球：地磁場強度相對木星、土星等較弱,它最強的兩極強度不到10-4(T), 平均強度約為0.6x10-4(T), 且會隨地點或時間變化而變化, 因此常用(γ), 即10-9(T)做為磁場強度單位。
地球磁場
3、火星：絕大部分區域都存在條狀的磁性部分。其中磁信號最強的是南部高地，其他區域也存在有磁效應。另外，北部低地和Tharsis火山區是兩個最明顯沒有磁性的地方。火星的磁場比地磁場小很多。它是地磁場的六分之一到三分之一之間。
4、木星：磁矩是地球的18,000倍 ，木星的磁場是地球的50-100倍；
5、土星：有一個簡單的具有對稱形狀的內在磁場——一個磁偶極子，比地球的磁場微弱一點 ，土星的磁場是地球的17-34倍；
6、天王星：天王星的磁場是地球的3-6倍；
7、海王星：海王星的磁場是地球的4-8倍；
8、冥王星：(矮行星)的磁場與月球相似。
在太陽系中，由殘留鐵磁和行星內部電流產生的電磁場組成的磁場是行星的最基本特性之一。
地球的磁場為偶極場,場強30000～70000納特,赤道磁場平均值為30800納特,偶極子與行星自轉軸間的夾角為11.5°。
未發現月球的全球性磁場，局部月殼的剩磁強度範圍約為6～300納特。
水星磁場強度約為350～700納特。金星有一個微弱的磁場,磁矩約為地球的0.00005。
火星磁場強度約為60納特。
木星表面的磁場強度，北半極為1.4×10(納特，南半極為1.1×10(納特,磁場大致為偶磁場，但比地球更不規則。
土星的磁矩介於木星和地球之間，比地球大550倍，而約為木星的1/35。
〔1〕、行星磁場_360百科 https://baike.so.com/doc/5763114-5975881.html
〔2〕、司今《物質自旋與力的形成》：https://www.toutiao.com/i6647087712715145742/
〔3〕、劉學富/主編《基礎天文學》，高等教育出版社2004年第1版。
下期系列預告（暫定）：敬請關注！
太陽系磁場探索(2)—太陽磁場的成因及我們的新觀點
太陽系磁場探索(3)—地球磁場的成因及我們的新觀點
太陽系磁場探索(4)—天王星磁場成因及其“躺倒公轉”的原因分析
太陽系磁場探索(5)—太陽黑子與耀斑成因及11年週期變化原因分析
太陽系磁場探索(6)—地球萬有引力G11年週期變化的原因分析
太陽系磁場探索(7)—行星黃赤交角的形成及自旋軸傾斜的成因分析
太陽系磁場探索(8)—行星運行軌道為什麼都處於太陽赤道平面上下？
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