北京白癜风手术 https://mjbk.familydoctor.com.cn/bjbdfyy/lx/第九章人类和地球磁场在地球的上空,地球磁场有效地阻止了来自太阳风中高能带电粒子的轰击,从而保护了地球生命,使地球进化成生命的乐园。由此可知在地球演化史上,地球磁场的作用就如同和水、空气和阳光一样对生物的进化来说有着举足轻重地位。地球磁场的磁场强度虽然很低，但它是地球上人与生物的一种生物物理环境，生物在长期的演化过程中，已经适应了这一物理因素，虽然没有什么感觉。但是对于生物的生存和发展，有着离不开地球磁场这一重要环境，当地球磁场的强度发生明显改变时，它则会影响生物的活动，甚至是生物的生命活力。地球磁场与人的生命活动及生活活动有着密切的关系，当地球磁场发生明显变化时，有些疾病的发生率就会增加，或者还会影响生命病况的细微变化。§1地球磁场对人类生活的影响太阳系引力对地球产生的作用，是牛顿揭示的，有人曾提示：如果地球立即停止转动，那将会造成怎样的灾难？太阳光给予地球生物的几乎就是生命体的全部过程，因为我们有“万物生长靠太阳”的成语。关于太阳风，只是到了上个世纪中叶，当我们走出地球之后，我们经过空间探测才确认它的存在。在本书前面的章节，我们知道太阳风造就了地球的磁场系统，太阳风不像引力和阳光那样对地球的影响是基本稳定的，它有着多方面的变化。它剧烈的改变会给地球或乃至地球生命造成巨大的影响。一、空间天气事件对人类生活的影响最近十多年以来我们知道，地球磁场的变化，基本都是空间天气的波动造成的。空间天气研究领域大体可分为：(1)太阳／太阳风；(2)磁层；(3)电离层／热层系统。研究的重点是放在对预报空间天气变化起关键作用的物理过程方面，主要涉及：太阳／太阳风——如何诊断日冕物质抛射、日冕物质抛射的形状、速度、质量和磁场结构；太阳耀斑活动及其太阳活动先兆的识别；太阳质子事件的起源以及其在行星际介质中的传播；太阳辐射(太阳紫外(uv)、极紫外(EuV)、软x射线和无线电波段)的变化以及对电离层和热层状态的影响；太阳风在日冕中的加热和加速机制以及太阳活动(耀斑、日珥和日冕物质抛射等)所产生的瞬变扰动和激波传播过程等。磁层——太阳风与磁层的耦合过程、磁层中等离子体的输运和能量增强以及磁暴和亚暴过程；带电粒子被地磁场捕获而形成的辐射带粒子的空间分布和时间变化过程等；电离层／热层．电离层电子密度结构形成与演化过程、大尺度电离层特征日变化和小尺度等离子体密度不规则性、热层—电离层—磁层相互作用引起的电离层闪烁、粒子沉降、电离层小尺度电场结构和大尺度静电场及其对磁层和行星际条件变化的响应，中性大气(热层和中层)的化学、辐射和动力学过程及其对整个高层大气能量和组成等的影响。空间环境是我们研究或关心的地外现象。它涉及空间物理，空间化学，空间生命．空间材料，空间微重力等多种学科。空间物理发展到上世纪70年代，由于日地混合关系认识的提高，产生了日地物理学；90年代，随着日地物理学的发展，人们日益增长的兴趣投向了空间天气，以减轻和避免空间灾害性天气带给人类活动的损失。很自然，空间天气学最近才提到人类科学发展的日程上来。空间天气定义为：太阳上和太阳风，磁层，电离层和热层中影响空间、地面技术系统的运行和可靠性以及危害人类的健康和生命的状态(conditions)。《空间天气学》则是空间天气(状态或事件)的监测、过程研究、建模、预报、效应、信息的传输与处理、对人类活动的影响以及空间天气服务等方面的集成，是多种基础学科(太阳物理、空间物理、地球物理、大气物理、宇宙线物理、空间等离子体物理、磁流体力学、数值计算、图象处理等)与多种技术科学(信息科学、计算机科学、各种探测技术和成像技术、飞行器与环境相互作用等)的高度综合与交叉科学，是日地物理学发展的一个新阶段，它把空间灾变过程的基础研究与成灾防灾的社会需求相结合，是当前人类社会发展航天，通信，导航，电力，物探和辐射等高科技领域的迫切需要。简言之，《空间天气学》是一门集中研究空间环境中灾害性空间天气变化规律和为人类活动服务的新学科。空间天气是一门把日地物理科学和空间与地面的技术应用联结在一起的正迅速发展的学科。地球是浸泡在太阳风中的，因为空间尺度比例关系，中高层大气和电离层结构未能画出，主要只表现了太阳风与磁层的相互作用。地球空间系统的形成和演化是由它与太阳活动的电磁辐射以及太阳风全球结构间的相互作用来决定的。因此地球空间系统的全球结构是定量了解太阳扰动影响地球空间环境变化的基础。这也是人们看到：相同的太阳风暴吹过地球，常有不同的响应变化发生的重要原因。地球空间系统是一个由磁层、电离层和中高层大气组成的非线性耗散的耦合系统，它一方面要受到来自太阳的电磁辐射和等离子体物质与磁场的影响，另一方面又要受来自地球低层大气的各种波动和人类活动乃至地形地貌的影响。太阳不断喷发高温、高速等离子体，即太阳风，其速度可高达每秒公里。太阳风压缩地球磁场，把地磁场限制在一个空腔范围内，这就是磁层。当太阳风流过磁层顶时，一部分能量、动量和质量会传输到磁层里来，从而引起磁层内部等离子体的大尺度对流运动，与运动相伴随的是大尺度磁层电场和电流。这些大尺度结构和过程表现了磁层的主要特征，决定着磁层粒子运动的轨迹和等离子体波传播的特性，磁层小尺度结构和过程也是在这种大尺度背景中发生的。丹麦科学家奥斯特于年发现电流的磁效应，第一次揭示了磁与电存在着联系，从而把电学和磁学联系起来。为了解释永磁和磁化现象，安培提出了分子电流假说。安培认为，任何物质的分子中都存在着环形电流，而分子电流相当一个基元磁体。运动电荷（电流）在其周围激发磁场。电流之间的相互作用是通过磁场来传递的。从逻辑上分析，太阳系的行星磁场应该有相同或者近似的发生机制。这就为我们揭开磁场产生之迷指明了一个正确的方向。磁和电之间可以相互转换，电场和磁场在广袤的宇宙空间中如影相随。我们如果仔细分析就可以发现：凡是存在自己磁场的行星有个共同点——能够导电的外壳。在地球海水是比较良好的导体，地球的导电外壳正是那广袤无垠磁场发生的根本原因。正是由于这个导电层的存在，使得地球围绕太阳公转并自转时，切割太阳风磁场并在地球导电外壳中产生了感应电流，从而形成了行星自己的磁场。因为地球和类木行星的自转平面和黄道平面都存在一定的倾角及导体内部结构的差异，所以偶极磁场两极都存在磁偏角而不是和地理两极相重合。以往人们对地球的很多自然现象的研究，常常是把地球看成是一个孤立天体，只注意在地球的物理，化学范围内去寻找自然之迷的答案。缺乏从整个太阳系这个大尺度看问题的自觉性。这就是迄今为止，关于地球磁场产生机理研究处于迷茫状态的根本原因。看看与太阳活动相关现象，我们就可以理解它们之间的因果关系。1、太阳活动与生物生长的关系粮食始终是人类赖以生存的物质基础，所以研究粮食产量的变化规律有着重要的意义。从已经知道的小麦等粮食产量的情况看出，在太阳活动极大年附近产量是增加，而大范围饥荒多发生在太阳黑子极小年附近。通过广泛收集的许多国家的树木样品分析测定的结果来看，树木年轮宽度的变化有11年周期。这表明，树木生长速度有11年的周期变化。2、太阳活动与人类健康的关系流感仍是人类难以制伏的顽敌。科学家注意到，每次流感大流行时病毒的类型虽不同，但其流行的时间间隔有明显的周期性。美国科学家分析了从到年的年间，流感发生的情况表明，除年例外，其余11次流感大流行都是发生在太阳活动最强的时间。这种变化具有明显的22年周期。3、太阳活动对人的神经系统也有影响科学家们通过大量的资料的分析和研究，发现人类一些重大发明、创造和成才，也奇迹般地存在11年或22年的周期规律。前苏联科学家马克西莫夫扎夫季奇为了证实上述规律，从百科全书中摘录近年来的名人诞生年代，然后编制成图表，从中也清楚地看出，科学、艺术、文学、政治方面天才人物的出世都有服从太阳活动的周期性。比如年中有过18次杰出人物诞生的高峰。两次高峰之间平均间隔22年。即太阳活动周期。这决不是一种简单的巧合，那么为什么人类的创造灵感与发生在太阳的各种过程联系在一起呢？科学们在深入探索这一相当艰巨而又迷人的大自然的奥秘。另外，太阳活动对心肌梗塞、青光眼等的发生也有相当的影响。4、太阳活动对地球磁场的影响人们发现黑子周期以后，引起了世界上许多相邻学科的科学们的注意，而且把这个变化规律用来研究地球的磁场。现在科学们已经肯定地磁场的变化以及“磁暴”，包括“急始磁暴”和“缓始磁暴”，都有周期性变化，变化的周期约11年左右。而且，磁周期起伏变化曲线与黑子多少的变化曲线是互相对应的，说明它们是相关的。5、太阳活动与电离层骚扰现代生活中的短波通讯，主要是依靠地球大气中的电离层反射或折射传播的。造成高层大气电离的主要原因有两个，一个是太阳辐射形成的光致电离，其次是来自太阳或别的恒星的高速粒子的磁撞电离。研究结果表明，太阳是地球大气电离的基本源泉，造成高层大气光致电离的是波长很短的紫外线和X射线。太阳活动对电离层的影响以“电离层暴”和“电离层骚扰”两种形式体现出来。它们都能影响无线电短波通讯，而且它们都有以太阳黑子活动11年为周期的长周期变化。6、太阳活动与气象水文的关系地球气象因素十分复杂，要掌握基本变化规律确实很困难。在影响气候变化的各种因素中，太阳辐射是举足轻重的。但是，太阳辐射的变化对地球来说是不明显的。太阳活动影响最大的就是地球磁场，地球磁系统的变化改变高层气压场和气流场的趋势，高空大气的变化势必影响到对流层的天气。二、地球磁场的生物作用你可千万别小看这个地球弱磁场，它是自然界馈赠给人类最为珍贵的礼物之一。由于地球磁场能使宇宙中的高粒子偏转，因此可以保护人类免受致命的宇宙射线的伤害。同时，地球的磁场也可排斥太阳风，从而阻止地球大气被太阳吹走。否则，灾难将降临，地球家园将被毁灭，成为像火星一样的不毛之地。我们人类真的很幸运，但科学家们仍不免担心。既然和我们很接近的火星在40亿年前失去了磁场，使火星的大气大部分被太阳风吹走，那么，是否有一天地球也会失去磁场或磁场而面临灾难呢？因此，我们有必要好好地研究地球磁场，而为观测地球磁场的变化，人类必须建立一个精确的地球磁场模型。没有地球磁场，地球生命几乎无法存活。地球上的生命的产生和演化可以说，离不开地球磁场。候鸟的迁徙、细胞的生长。电磁是物质的基本属性，如果没有电磁现象，就没有人类的思维，没有生命。我们这里将是一片死寂。三、地磁系统对地球气候系统的影响太平洋赤道附近海水升温的问题，由这种升温引起的洋流。确切点说是地磁场引起的暖流。厄尔尼诺不再是局地性的洋流的季节性变化，厄尔尼诺/南方涛动指的是影响全球的连续但不规则的大气和海洋循环变化的一种现象。厄尔尼诺开始是指中东太平洋地区海洋表面异常增温并与低层大气相互作用，它能产生较为显著的天气影响。我们知道，地球上的绝大部分热量来源于太阳，当太阳辐射通过大气层到达地球表面时，其中绝大部分是被海洋吸收了。这是因为海水的热容量非常大，比土壤的热容量大一倍，比空气的热容量大多倍。这就是说，如果使1立方厘米的海水温度升高1℃，所需要的热量能使多立方厘米的空气温度升高1℃，可见海洋的确是一个巨大的热量贮存器。据研究，海洋上层3米水深的热容量相当于整个大气层的热容量。如果使地球上的全部海洋米深水层的温度降低0.1℃，那么放出来的热量就能使整个对流层的空气温度升高6℃左右。海水吸收了太阳辐射之后，又通过各种形式将热量供给大气，从而推动了大气的运动，可以说海洋是地球上的最大热源场。大气变化过程是十分复杂的，因此，气候变化同太阳活动的关系虽然为科学界所重视，其统计结果往往只有个别地方的个别气候现象关系明显。太阳黑子的变化周期中以11年周期最为显著，11年周期是统计平均值，每次变化的实际周期长度约在7.3年至16.1年之间。德国著名气候学家鲍尔对11年周期进行过大量研究，他发现，中欧的严冬大都集中在11年周期的极值附近。中欧夏季的雨量也是在极值的前两年与最大值的后两年明显低于平均值。地球周围的大气也是一部大发电机，雷暴是大气中电活动最为壮观的显示。即使在晴朗的天气，大气中也到处有电场和电流。雷暴好似一部静电起电机，能产生负电荷并将其送到地面，同时把正电荷送到大气的上层。大气的上层是电离层，它是良导体，流入它的电流很快向四周流开，遍及整个电离层。在晴天区域，这电流逐渐向地面泄漏，这样就形成了一个完整的大气电路。地球表面带有负电荷，而大气中的泄漏电流约为A。如果大气电荷得不到补充的话，地球表面的负电荷将在数分钟内被中和掉。地球表面电荷明显维持恒定的事实说明大气中存在着一个电荷分布再生的机制，大气中的电荷分布是由地磁场产生的。雷暴与人类生活有直接关系，例如它可以引起森林火灾，击毁建筑物，当前它还是影响航空航天安全的重要因素。地球是一个生物学意义上的有机整体，并作为一个具有自我调节功能的系统而进化。地球气候本身就存在周期性的变化。造成地球温度上升的因素很多，包括太阳的活动甚至宇宙射线的变化等。§2再讨论地球磁场成因在前一章中我们已经讨论过地球磁场的成因，在这里我们把它归纳如下。十九世纪时，人类对电与磁性质的理解已经非常深刻，现在我们完全可以认为：电可以生磁，磁可以生电。地球磁场实际上就是一种，磁生电，然后再由电生磁的自然现象。在我们现在的日常生活当中，我们经常能看到各式各样的变压器。可以这样说，没有变压器的作用，就没有我们现代化的生活。变压器是一种电变电的设备，从实质上讲我们应该把它叫做变电器。它是把一种电变换成另外一种不同参数的电的设备。它的工作原理是，先把电能转换成磁能，然后再把磁能转换成电能的方法。为了得到一个好的变压器的设计，如此事物的关键点就在于对该设备的磁芯设计上，磁芯的大小、形式和选材决定了磁通的量和磁场的流通程度，对于这些参数的设计，也就决定了该变压器到最后是否会变的理想。设计磁芯时的关键就是要考虑磁路是否顺畅，尽量让它不要出现磁涡流现象，致使转换电能量尽量少的发生损耗。宏观地看，地球磁系统实际上是一个变磁器：它是把携带太阳风能量的磁层磁场经过地壳导电系统变换出地磁场。鉴于其他行星的实际情况，在这里问题的关键是，地壳导电系统的形成。有人会问：为什么转动的地球才会出现地球变磁器的地壳导电系统呢？因为只有转动着的球体才会把磁场转换出的电流理顺，没有转动的球形壳层在带电粒子的轰击下，只能产生表面电层，而不会变换成为变磁器。就地球而言，地壳导电系统最大环电流应该在地球的赤道上，地壳赤道导电环的电阻率的变化会对地球气候产生巨大的影响，厄尔尼诺现象和拉尼娜现象正好也说明了这一点。对磁层磁场的探讨是现今世界科学界研究的热门，许多成果随着人造卫星数量的逐步增加和我们对日地空间的熟知会越来越多。讨论地球磁系统——地球变磁器，我们可以把它分成三个部分来讨论。第一是磁层磁场、第二是地壳赤道电流环、第三是地磁场。对于太阳风和磁层系统我们用流体力学或弹性力学的经验边界条件去处理。对于地壳赤道电流环我们应该用麦克斯韦方程组去处理，但这是非常困难的，因为我们看不见它的实际情况，所以还是要去假设。地壳赤道导电环电导率的不均匀性，产生了我们现在见到的地磁场。用现有的地磁场去反推地壳导电环流层，也不失为研究地壳导电环流层的一种方法。只是边界条件需要假设的方面太多，不知能否具有实际意义。为了理解对地磁场的数学描述，我们先看一下牛顿力学的数学描述。牛顿力学经典实例是对炮弹弹道数学描述，无论炮弹的实际形状如何，我们都把它看成为一个质点；我们只处理这个质点的初速度和射出角度，引进坐标系统；坐标的X轴与地球的重力加速度垂直，这样我们就可以得到了炮弹的时间、空间坐标函数。至于空气场、温度场对炮弹运行轨迹的影响，我们在取得一些经验值时给予修正就可以了。炮弹的速度和方向是实际发生的，把它们分解到X和Y轴上时，那时就只能是它们之间的研讨关系了。高斯的球谐函数分析法是数学描述地磁场最好方法，就像我们引进坐标系统描述牛顿力学问题一样，它是我们处理讨论自然事物的工具，应用的不好，它当然是不能代表自然事物的本质。球谐函数法是处理标准偶极子磁场数学方法。由于地球磁场有90％是偶极子磁场，所以用球谐函数描述地磁场，再用非偶极子磁场给予修正是解决问题的最好方法。但是我们千万不要以为地球磁场就应该是一个标准的偶极子磁场了。受高斯的球谐函数分析法在地球磁场研究中成功的影响，有许多研究地球磁场的人还真是这样认为的，他们在地球上到处去寻找能够产生偶极子磁场发电机的存在机制，以至于延迟了我们对地球磁场的理解。我们应该清楚地认识到，地球的偶极子磁场和非偶极子磁场只是地磁场在这个坐标系里的两个分量而已。总之，我们可以把地球磁系统分解为三个部分：第一部分是磁层磁场、第二部分是地壳赤道电流环、第三部分是地磁场。§3磁层磁场和极光地球磁系统的磁层磁场部分，对于地球磁场来说是最为复杂的一个部分，因为太阳风的作用，使磁层磁场不是一个对称的系统。太阳风压缩磁层磁场的向阳面部分，使它与磁层侧阳面的部分相比是被压缩了，而背阳面的部分却拉得很长很长。在向阳面就像是被压缩的弹簧，而背阳面却像被拉伸了的弹簧。背阳面的磁场、离子流和电子流在不断变化的太阳风的作用下，它们也不断地变换和跳跃着体现着它的存在，许多现象都是在这其中发生的，比如，极光、磁重联等等。由此看来，磁层磁场主要包括：1、太阳风及太阳风的形成机制；2、太阳到地球的行星际空间和弓形激波面；3、磁鞘和磁层顶，包括太阳磁场和磁层的磁场交界以及磁层表面电流层；4、地球4万千米以上磁场，4万千米的距离是在太阳风作用下而变化的，其中包括“温暖的等离子斗篷”、磁尾磁场及相关电流层等；5、两极的极光椭圆带和部分电离层，以及相应的地下磁场部分。一、极光常常出现于纬度靠近地磁极地区上空的彩色发光现象。一般呈带状、弧状、幕状或放射状。这些形有时稳定有时作连续性变化。由于地球磁场的作用，这些高能转向极区，故极光常见于高磁纬地区。在大约离磁极25°～30°的范围内常出现极光，这个区域称为极光区或者称为极光椭圆带。在地磁纬度60°～45°之间的区域称为弱极光区，地磁纬度低于45°的区域称为微极光区。极光的下界的高度，离地面不到公里,极大发光处的高度为公里左右,正常的最高边界为公里左右,在极端情况下可达1,公里以上。根据近些年来关于极光分布情况的研究，极光区的形状不是以地磁极为中心的圆环形，而是更像卵形。极光的光谱线范围约为3～埃。其中最重要的谱线是埃的原子氧绿线称极光绿线。极光的出现同磁暴、地冕、太阳风和宇宙线相关，因而也同太阳活动有关。早在二千多年前，中国就开始观测极光，此后亦有丰富的极光记录。斯托默(～)挪威数学家，空间物理学家。于年开始从事对带电粒子在偶极磁场中运动轨迹的计算工作，他的工作为研究宇宙线粒子在地球附近的运动以及地球辐射带的发现打下了理论基础。他在挪威组织了观测极光与特殊类型云图的观测台站网，并成功地利用一种照相方法来确定极光的高度和位置。他在级数、数论和函数等方面，也有一定的贡献。在计算电粒子运动时，开始斯托默想去证明极光的成因，其结果从理论上却证明，在地球周围存在一个带电粒子捕获区（大部分区域处于后来发现的辐射带内）。许多世纪以来，这一直是人们猜测和探索的极光天象之谜。从前，爱斯基摩人以为那是鬼神引导死者灵魂上天堂的火炬。13世纪时，人们则认为那是格陵兰冰原反射的光。到了17世纪，人们才称它为北极光——北极曙光（在南极所见到的同样的光称为南极光）。随着科技的进步，极光的也越来越为我们所熟知，这美丽的景色是太阳与大气层合作表演出来的作品（起始思路）。在太阳创造的诸如光和热等形式的能量中，有一种能量被称为“太阳风”。太阳风是太阳喷射出的带电粒子，是一束可以覆盖地球的强大带电亚原子颗粒流。太阳风在地球上空环绕地球流动，以大约每秒公里的速度撞击地球磁层。地球磁场形如漏斗，尖端对着地球的南北两个磁极，因此太阳发出的带电粒子沿着地磁场这个“漏斗”沉降，进入地球的两极地区。两极的高层大气，受到太阳风的轰击后会发出光芒，形成极光。在南极地区形成的叫南极光，在北极地区形成的叫北极光。目前，许多科学家正在对极光作深入的研究。人们看到的极光，认为主要是带电粒子流中的电子造成的（还是不正确的想法，在后面我们会讨论这些想法）。而且，极光的颜色和强度也取决于沉降粒子的能量和数量。用以形象比喻，可以说极光活动就像磁层活动的实况电视画面。沉降粒子为电视机的电子束，地球大气为电视屏幕，地球磁场为电子束导向磁场。科学家从这个天然大电视中得到磁层以及日地空间电磁活动的大量信息。例如，通过极光谱分析可以了解沉降粒子束来源，粒子种类，能量大小，地球磁尾的结构，地球磁场与行星际磁场的相互作用，以及太阳扰乱对地球的影响方式与程度等。极光不但美丽，而且在地球大气层中投下的能量，可以与全世界各国发电厂所产生电容量的总和相比。这种能量常常搅乱无线电和雷达的信号。极光所产生的强力电流，也可以集结在长途电话线或影响微波的传播，使电路中的电流局部或完全“损失”，甚至使电力传输线受到严重干扰，从而使某些地区暂时失去电力供应。怎样利用极光所产生的能量为人类造福，是当今科学界的一项重要使命。用来形容极光的词很多，但无论用哪一个都难以表达出极光的神奇和美妙。极光是令人神往的自然奇观，是南极和北极最为瑰丽的景色。在南极的漫漫长夜，有时几乎整个天空都是一幅南极光的美妙景象，极光时而像高耸在头顶上的美丽的圆柱，突然变成一幅拉开的帐幕，以后，又迅速卷成螺旋的条带；有时，极光就想传说中天女手中慢舞的长长的彩色飘带，有时变化迅猛，形状转瞬即逝，有时又像天边一缕淡淡的烟霭，久久不动；有时似漫天光火箭从天而降，几乎举手可触，有时又像原子弹爆炸后的蘑菇云腾空而起，令人望而生畏。这在南极的种种景象中，再没有比这更壮观美丽的了。在太阳活动盛期，极光有时会延伸到中纬度地带，极光有发光的帷幕状、弧状、带状和射线状等多种形状。发光均匀的弧状极光是最稳定的外形，有时能存留几个小时而看不出明显变化。然而，大多数其他形状的极光通常总是呈现出快速的变化。弧状的和折叠状的极光的下边缘轮廓通常都比上端更明显。极光最后都朝地极方向退去，辉光射线逐渐消失在弥漫的白光天区。极光的形状千姿百态，运动的状态也是干变万化、多种多样。科学家们把极光按照形状特点分为五大类：一是底部整齐微微弯曲呈圆弧状的极光弧；二是有弯扭褶，宛如飘带状的极光带；三是如云朵一般片朵状的极光片；四是面纱一样均匀的椎幕状的极光幔；五是沿磁力线方向呈射线状的极光。长期以来，极光的成因机理还是未能得到满意的解释。在相当长一段时间内，人们一直认为极光可能是由以下三种原因形成的。一种看法认为极光是地球外面燃起的大火，因为北极区临近地球的边缘，所以能看到这种大火。另一种看法认为，极光是红日西沉以后，透射反照出来的辉光。还有一种看法认为，极地冰雪丰富，它们在白天吸收阳光，贮存起来，到夜晚释放出来，便成了极光。总之，众说纷纭，无一定论。直到20世纪60年代，将地面观测结果与卫星和火箭探测到的资料结合起来研究，才逐步形成了极光的物理性描述。现在人们认识到，极光一方面与地球高空大气和地磁场的大规模相互作用有关，另一方面又与太阳喷发出来的高速带电粒子流有关，这种粒子流通常称为太阳风。由此可见，形成极光必不可少的条件是大气、磁场和太阳风，缺一不可。具备这三个条件的太阳系其他行星，如木星和土星，它们的周围，也会产生极强的极光。二、电离层（Ionosphere）电离层是地球大气的一个电离区域。60千米以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，电离层是部分电离的大气区域，完全电离的大气区域被称为磁层。有人把整个电离的大气称为电离层，这样就把磁层也看作电离层的一部分。除地球外，金星、火星和木星都有不同的电离层，土星、天王星和海王星也有电离层结构。为解释地磁场的变化，19世纪时，C.F.高斯和开尔文等提出高空存在导电层的设想。年，SirE.V.阿普尔顿等通过对无线电波回波的接收，证实了电离层的存在。R.A.沃森·瓦特于年首先提出“电离层”这一名称。年，G.布雷特和M.A.图夫发明的电离层垂直探测仪，是地面探测电离层的基本设备，为后来积累了大量的实测资料，为电离层研究起了重要的作用。年首次在V-2火箭上安装朗缪尔探针直接探测电离层，开创了直接探测的先例。～年，阿普尔顿和D.R.哈特里等人创立的磁离子理论，为研究电波在电离层中的传播奠定了理论基础。年，S.查普曼提出电离层形成理论，极大地推动了电离层的研究。在整个空间环境系统中，电离层处于一个特殊的地位.这里有足够多的自由电子，它们的存在，显著地影响着电磁波的传播。而另一方面，电离层中未电离的那部分中性成分仍然在很大程度上控制着电子和离子的运动状态，这就在本质上与磁层不同。在磁层中，由于大气进一步稀薄且完全电离，带电粒子的运动完全受磁场的控制。处于一定能量范围内的带电粒子可能被地磁场捕获而在一定的磁力管位置上形成地球辐射带。磁层中带电粒子的动能和磁场能量之间的转换是磁层的基本物理过程；电离层则不同，带电粒子和中性粒子的相对频繁的碰撞使磁场不能完全控制电子的运动。在赤道地区，磁场是水平的，东西方向的电场和磁场形成的洛伦兹力白天推动等离子体向上漂移，并在～km高度上沿磁力线向磁赤道两边扩散，使得电离层F区中电子密度最大值在白天通常出现于磁赤道两侧，这一重要的电离层异常现象叫做赤道异常。由于电离层的上述特征，近代电离层研究的一个明显趋势是不再孤立地研究电离层本身，而是把电离层看作空间环境整体的一部分，从它与其他部分相互影响的角度弄清电离层自身的形态变化特征。这种相互作用主要包括：电离层与磁层的相互耦合，电离层与热层大气的相互耦合，以及电离层和中、低层大气的相互作用。此外，电离层除直接受太阳远紫外波段和X射线作用而电离外，也会受到太阳高能质子、耀斑爆发及太阳物质抛射等情况的瞬时影响。磁层和电离层的耦合主要发生在高纬地区，这里近于垂直的地球磁力线直接贯通磁层和电离层，磁层和太阳风相互作用产生的大尺度磁层电场可以沿着这些高电导率的磁力线直接投射到电离层中，引起增强的极区电离层电流并产生焦耳热，来自磁尾的高能沉降粒子也可沿磁力线直接进入高纬电离层，向电离层直接提供动量和能量。电离层中的某些重离子，如氧原子离子等，也直接沿磁力线上行至磁层中。磁层和电离层这种质量、动量和能量的相互交换过程及机制是当前磁层-电离层耦合的研究焦点。热层和电离层处于同一高度，大体上可以认为热层是电离层高度上未电离的中性大气。由于部分大气大量吸收太阳辐射而电离，吸收的能量通过碰撞抬高了中性大气的温度，故后者称为热层。在千米左右的高度上，中性大气的数密度仍比电离成分高两个数量级，但由于电子和离子的磁回旋频率在这一高度上已远大于带电粒子和中性粒子的碰撞频率，因此电磁场和中性风都会对带电粒子的运动施加影响。当我们考虑这一高度上的电离层过程时，应同时顾及光化学过程、流体动力学和电动力学过程，也就是所谓热层和电离层的相互耦合问题。地球低层大气中的过程也以不同的方式影响电离层，如全球雷电活动影响电离层底部和地面之间的电场，进而影响电离层变化；巨大火山的喷发和流星物质的沉积使低电离层中有较多的金属离子而影响光化学过程；剧烈天气过程以及对流层大气中的大尺度(行星尺度)波动向上传输，在合适的条件下，也可以传播到电离层高度，向电离层输送能量并引起电离层的扰动。这种低层大气和电离层之间通过动力学、电学和光化学的相互作用的问题，亦成为近年来人们极感兴趣而并未十分了解的重要课题。电离层扰动（ionosphericdisturbance）是电离层结构偏离其常规形态的急剧变化，又称电离层骚扰。电离源的突变、非平衡态动力学过程、不稳定的磁流动力过程和某些人为因素等，都可引起电离层扰动。它常严重影响电离层中无线电波的传播。一种来势很猛但持续时间不长（一般为几分钟至几小时）的扰动，它仅发生在日照面电离层的D层。这种扰动由太阳耀斑引起，耀斑区发出的强烈远紫外辐射和X射线，大约8分钟后到达地球，使地球向阳面电离层特别是D层中的电子密度突然增大。这种现象称为电离层突然骚扰。当发生这种骚扰时，从甚低频到甚高频的电波传播状态均有急剧变化。来自天外的宇宙噪声，由于D层吸收突然增加而强度突然减弱，称为宇宙噪声突然吸收。但从D层反射的长波和超长波信号突然变强，相位也发生突变，称为突然相位异常现象；而接收远处雷电产生的“天电干扰”的强度也明显增强，称为天电突增。甚高频低电离层散射传播信号也将增强。此外，耀斑期间，E层和F层底部的电子密度也突然增加，可引起短波频率突然偏离现象。持续时间为几小时至近10天的常与磁暴相伴的强烈电离层扰动。太阳局部扰动除爆发出大量电磁辐射外，有时还辐射出大量带电粒子流。粒子流到达地球一般要1～2天左右，它们与磁层和高层大气相互作用，可使正常电离层（特别是F层）状态遭到破坏，称为F层骚扰。这种骚扰有负相（临界频率下降）、正相（临界频率上升）和双相（临界频率有升有降）骚扰之分。骚扰时临界频率变化一般大于30％。太阳质子事件或磁层亚暴期间，极区电离层电离激增，会引起急始吸收、极光带吸收、极盖吸收和长波相位异常等现象。火山喷发、地震、台风和雷暴可激发中尺度大气重力波扰动；地面核试验激发的重力波可影响几千公里外的电离层；大功率短波雷达加热等人工手段和空间飞行的释放物，也能引起电离层扰动。这些自然因素和人为因素激发的电离层扰动。三、极光椭圆区和磁层亚暴磁层亚暴是地球磁层扰动的一种表现，是地球磁场最大的能量表现过程。关于磁层亚暴的概念是年提出的。亚暴扰动在其发展过程中会随时间、空间而发生一系列的姿态变化，尤其是在极区的反应最为激烈。磁层亚暴的典型物理过程，首先是从行星际磁场方向反转开始的。观测表明，不少亚暴发生在行星际磁场方向由北向南反转以后。由于向南的行星际磁场和地磁场相互耦合，引起磁力线的重联，从而使磁尾中磁场强度增加；接着，由于磁力线重联，磁流体发电机作用加强，横越磁尾的电场和电流也增强。在将近一小时内,磁尾的等离子体便开始向地球方向运动。这时,“极光卵”的赤道侧边缘处极光突然增亮，并开始向极区移动，这就开始的极光亚暴。与此同时，整个磁尾的等离子体片的厚度开始变薄。伴随亚暴发生的另一个过程是等离子体由磁尾向捕获区注入，这种注入是外辐射带电子的主要来源之一，也就是极光带电波吸收增强的基本原因。当磁尾中的磁能积蓄到一定程度后，磁尾的磁力线由于某种不稳定性,便会发生重联。关于磁层亚暴的机制，目前的看法并不完全一致。有人认为行星际磁场由北转向南是亚暴发生的原因。但是也有人不同意这种观点，认为这种方向的改变只能控制亚暴出现的强度和纬度，对亚暴的触发和能量的释放不会有明显的影响。这些问题的解决有待于建立亚暴事件全过程的正确时间序列，以及对亚暴的形态建立一个正确的物理图像。亚暴起始时，平静光弧突然增亮，增亮区扩大，这就是极光亚暴。亚暴是南北半球共轭的，共轭点上有相同现象，共轭点是指同一条磁力线截于南北半球地面的两点。亚暴是磁尾的一种激烈而频繁的运动形式，磁扰日里几乎每天都发生数次。亚暴常成串出现，时间间隔无规律，有时第一次尚未结束，第二次接踵而来，这称为叠发亚暴。每一次爆发来不及构成完整的膨胀相，而只是一次接一次的极光增亮。亚暴的发生与行星际磁场和太阳风状态有密切关系，一般当行星际磁场持续一段时间偏南之后，就会发生一连串亚暴。“极光卵”，也就是极光椭圆区（AuroraOval），还有人把它叫做极光椭圆带，木星和土星的极光椭圆区最为壮观。极光都是在环绕着地球磁场的椭圆区域发生的，因此我们可以很清楚知道并不是极光在移动，而是因为地球是在全球极光椭圆圈下转动，因此极光对于地球表面的测站而言而转动。相较于在傍晚和清晨的时候，极光的位置在午夜时分是比较靠南边的。不过还是花了科学界许多年，透过对资料和研究结果的了解，才慢慢的接受极光椭圆圈这一概念。自太空往地球上方看这套色的极光椭圆图，红色代表极光最亮的地方，而蓝色代表最暗的地方，可以看到最亮的地方是午夜。一般相对于太阳而言，极区的活动有固定的模式：在傍晚时极光呈现相当安静单一的极光弧形态，到了午夜极光的活动变得最为活跃，而到清晨时则为不匀称的极光满布，因为地球是一天自转一圈的模式。由结果来看，站在地球的一个定点上，极区就像经历了一个日变化一样，从相当安静单一的极光弧形态，到变换为活跃放射的极光弧，最后是不匀称的极光满布的区域，由地球的自转带着地面上的观测者看过一轮这个相对固定的图式。透过检查许多来自测站的全天象影像，并没有给于同样的想法，即便是只看单一的测站的资料。举例来说，来自加拿大萨斯卡通全天象照片显示，极光在一个晚上之内经历了这三个阶段的三次转换，这种结果对观测者来说，要不是固定模式的概念是错的，就是地球在一晚上自转了三次，结论便显而易见。将同时摄自于西伯利亚、阿拉斯加和加拿大的全天象照片一起检视，发现极光在椭圆圈的一个特别的区域同时经历了一个大尺度的变化。许多卫星上的照相机在拍摄地球和极区时所使用的是我们看不到的光：紫外光；而不是使用我们看得到的可见光，当我们利用紫外光去看地球时，我们看不到陆地和海洋，我们可以看到的是在上层大气发光的气体，我们可以透过紫外光去看到北极光(南极光)环绕着北极轴(南极轴)形成一个极光椭圆圈。透过紫外光去看极区和地球高层大气所成的连续影像，发亮侧是受太阳光照亮的大气层(即太阳位于右下方)，而椭圆光圈则为极光。我们可以看到极光椭圆圈在某个区域发亮，然后突然开始拓展并向地球极区以及赤道方向爆发开来，与极区磁亚暴示意图相同。太阳风—磁层发电机能产生超过万兆瓦的功率，电压达20～千伏。在工业上和实验室所用的磁流体发电机亦是按同样的原理工作的，也是让电离气体—等离子体高速通过磁场来发电。在充满磁场的稀薄等离子体中，带电粒子只能沿着磁力线自由运动，磁力线的作用类似于导线，可以携带电流。太阳风和地球磁层交联的场线与以磁极为中心的环状区域相连，可以认为是太阳风—磁层发电机的两极由磁力线连到了极光区的边界。因此由极光发电机所产生的放电过程将是如此进行：由磁层边界层的早晨侧(正极)，经过地球极区极光区的晨侧边界，然后很可能是沿着极光椭圆，最后从极光区黄昏侧边界出来抵达磁层边界层的黄昏侧(负极)。这一体系是初级放电电路，称之为一区电流体系。一区电流体系感应起的次级电流系称之为二区电流体系。它是一区电流体系中的一部分从极光椭圆晨侧部分的赤道通过向边界放电回到磁层，以及从磁层向极光椭圆黄昏侧部分的赤道向边界放电。于是，在北极的晨侧和晚侧有一对电流，一个沿磁力线流动的电流是向下流向电离层，另一个沿磁力线流动的电流是向上流出电离层。沿磁力线流动的电流称之为场向电流。向下流动的电子激发了离子和分子，将能量贮存在高层大气中，其中一些以可见光的形式释放出来，这也就是极光形式。我们生活的地球，除了有大气层保护着不受小型天体直接撞击之外，还有地磁场保护着免遭宇宙射线的直接辐射。当太阳风中的等离子流以每秒公里的速度飞向地球的时候，在大约距离地球7万公里处受到地球磁场的阻挡。在气体分子的周围，分布着不同轨道的电子层，电子吸收了太阳粒子的能量后从低能级轨道跃迁至高能级轨道，随后又重新跃迁低能级轨道。由于大气层主要包含氮气和氧气这两种成分，在受激发而发出的光线也就带有其相应的特征色。当这个撞击发生在不同大气层高度时，也就产生了不同颜色的极光。比如绿色极光通常发生在距离地面～千米的高度，红色极光则在更高的高度，而蓝色和紫色极光则发生在距地面千米以下。四、极光的本质当我们处理许多自然现象时，我们大脑里想当然的理念，最容易让我们产生错觉，使我们迷失认识问题的方向，在对于极光的解释上最能说明这一点。地球南北两极附近地区的高空，夜间常会出现灿烂美丽的光辉。有时它像一条彩带，有时它像一团火焰，有时它又像一张五光十色的巨大屏幕。它轻盈地飘荡，同时忽暗忽明，发出红的、蓝的、绿的、紫的光芒。这种壮丽动人的景象就是极光。之前我们想象地认为，产生极光的原因是来自大气外的高能粒子（电子和质子）撞击高层大气中的原子的作用。这种相互作用常发生在地球磁极周围区域。作为太阳风的一部分荷电粒子在到达地球附近时，被地球磁场俘获，并使其朝向磁极下落。极光是太阳风和地球磁场相互作用的产物。太阳风是太阳连续不断地喷出的等离子体。当太阳风吹到地球附近时，它受到地球磁场的作用，进入地球的两极地区，轰击高层大气而发光。由于高空气体是由多种元素组成的，受到轰击的不同元素的气体发出的光的颜色是不一样的。例如氧被激发出绿色和红色的光，氮发出紫色的光，氩发出蓝色的光，因而极光就显得绚丽多彩，变幻无穷。但是，在我们详细分析极光过程之后，我们发现根本不是以前表述的想当然的那么回事。1、没有人监测到太阳风在极尖区的粒子作用，极尖区虽然说磁场方向基本上都是竖向的（±90°），极区磁场对太阳风也是抗拒的，太阳风没有可能刮进极尖漏斗区。2、就算太阳风粒子可以进入极区极尖漏斗区，这样应该是在极尖漏斗区的中心极光最为强烈。可是实际上极光强烈的地区是在磁极区的周围形成的极光椭圆带。3、南北极的极光共轭现象是高能粒子撞击高层大气中的原子产生极光理论所无法解释的现象。4、地球电离层的形成是没有被磁层挡住的太阳风粒子作用在大气上的结果，所以电离层相对地球是一个层次的结构。极光如果是粒子撞击的结果，那么它也应该是一种层次的结构，可是极光不是，极光的竖向结构比较明显。5、斯托默对极光很有兴趣，他一开始就想用计算的方法去证明极光的粒子碰撞成因，可是结果却从理论上证明，在地球周围存在一个带电粒子捕获区，既地球辐射带的存在。贯穿人类的历史，极光始终令我们着迷，在这其中也不乏对它的解释。伽里略认为极光是从地球上升起的蒸汽反射阳光而成的，而笛卡尔则认为是冰晶反射阳光形成了极光。17世纪末，哈雷第一个把极光和地球磁场联系了起来。不过直到20世纪50年代科学家才确认到极光是由于地球磁场的变化而产生的。当亚暴在磁层中发生的时候，尽管释放的能量只相当于几百万吨的TNT炸药，但是它的效果却是实实在在的。地球磁场会发生扭动，环绕磁层的电流也会跟着剧烈扰动，在10～15分钟里极光就会覆盖极区天空，并且大幅度地增亮和“舞动”。这对于极光来说并不是什么罕见的事情。当磁力线带着巨大的能量剧烈变动的时候，就会从氧和氮中激发出红光、绿光和蓝光，这时极光就会变得既流光又溢彩。当太阳风和磁层相联接时地磁场会发生改变。一股扭曲的磁场会形成，然后沿着边缘向地球背向太阳的一侧运动。这一现象被称为“磁流绳”，它可能和亚暴之间的存在相联系。磁流绳会和太阳风中的磁场联接，随后两者会缠绕在一起使得地球磁场和太阳磁场相联。这就会使得它们长驱直入，为输入磁层的能量。当太阳风吹过地球的时候，它会拉扯磁流绳的端点，并且将磁流绳及其磁场拖离地球向阳的一侧而进入地球背阳一侧的磁层尾。当有越来越多的磁流绳形成并且被拖入磁尾的时候，地球向阳一侧的磁场就会越来越少。当然这不会一直进行下去。否则地球向阳一侧的磁场就会被完全剥离，一旦这一情况发生，地球就会失去保护。地球刚形成的极早期，地球的原始大气甚至就被太阳风“吹”散开。不过很显然我们是幸运的，这一切都不会发生。在磁场积蓄了张力几个小时之后，亚暴就会产生。有几件事情几乎是同时发生的，包括磁尾断裂、等离子冲向地球以及围绕地球的电流瓦解。但是这些事件中是哪些触发了亚暴并且产生了极光呢？磁层磁场的磁力线可以分为四种类型，向阳面的正午磁力线、背阳面的午夜磁力线、还有早晨磁力线和傍晚磁力线。这四种磁力线基本都是经过极光椭圆区而进入地球南北极地壳，才实现磁场闭合。经过以上叙述，我们都可以看到极光出现的原因了。在太阳平常期，较弱的太阳风能量，经磁层磁力线转入地壳电流层，地壳电流层再转成为地磁场时，能量表现基本上都是平衡的，这期间也不会有极光出现。在太阳扰动期，太阳风的能量突然增加好几倍，强劲的太阳风吹在磁层上时，拉长的磁层储存了一些多余的能量，在达到一定的程度的时候，所说的磁层亚暴现象就出现了，拉断的磁力线弹回地磁两极，强烈的极光就开始飘动。极光是动态磁力线携带的能量在地壳电流层转换不掉的情况下，而由电离层分流能量所产生的。关于磁力线携带能量的数学描述，现代电动力学还没有很好的解决方案，楞次定律告诉我们磁力线是可以携带能量的，可是磁力线携带能量的细节麦克斯韦方程无法给予描述。磁场的强度一般和能量没有直接关系，动态的磁力线可以转换能量是我们已知的现象。在极光椭圆区附近的地球电离层表达的导电场分布是极光变幻的物理依据。有人认为磁层磁力线经过电离层时，有时形成极光的能量特别巨大，会把磁力线压弯曲，这在撞击粒子极光说是无法得到解释的；实际上，磁力线是不能被能量所压弯的，磁力线在电离层的形变是动态磁力线在电离导电场中扰动的结果。用磁层磁力线传递能量说明极光存在的理论，来解释极光南北极共轭变得非常简单。相对剧烈的太阳风，也称为“扰动太阳风”在到达地球磁层的时候，地球磁层以及地磁场会有许多剧烈变化的现象，这些变化现象包括地磁暴、磁层亚暴、磁重联、极光、电离层和热层扰动等，它们的发生时序和变化时序与磁层磁场、地壳电流层和地磁场的具体物理状态密切相关，这些密切相关的时序列可以使我们真正知道太阳风和地球磁场的给予我们人类的真实含义。极光同时的亚暴和全局的地磁暴活动之间的联系是直观的，而全局的地磁扰动所能造成的不仅仅是一场绚丽的极光表达。犹如节日的焰火在空中闪现一下就消失得无影无踪；有时却可以在苍穹之中辉映几个小时；有时像一条彩带，有时像一团火焰，有时像一张五光十色的巨大银幕；有的色彩纷纭，变幻无穷；有的仅呈银白色，犹如棉絮、白云，凝固不变；有的异常光亮、掩去星月的光辉；有的又十分清淡，恍若一束青丝；有的结构单一，状如一弯弧光，呈现淡绿、微红的色调；有的犹如彩绸或缎带抛向天空，上下飞舞、翻动；有的软如纱巾，随风飘动，呈现出紫色、深红的色彩；有时极光出现在地平线上，犹如晨光曙色；有时极光如山茶吐艳，一片火红；有时极光密聚一起，犹如窗帘幔帐；有时它又射出许多光束，宛如孔雀开屏，蝶翼飞舞。以上对极光的描写是太阳风磁场撞击空气粒子所不可以产生的现象。极光不但美丽，而且在地球大气层中投下的能量，可以与全世界各国发电厂所产生电容量的总和相比。极光所产生的强力电流，也可以集结在长途电话线或影响微波的传播，使电路中的电流局部或完全“损失”，甚至使电力传输线受到严重干扰，从而使某些地区暂时失去电力供应。太阳风巨大的能量，都消耗和显示在这里了。怎样利用极光所产生的能量为人类造福，这也是当今科学的一项重要使命。§4地壳赤道电流环和地球气候地壳赤道环电流在地球磁系统中，按部件多少来分是最简单的一个部分，因为它仅有地球赤道环一个部件组成。就地球磁系统来说，地球赤道环又是最为复杂的一个部件。在前面的几章里我们就地壳赤道环电流有过许多的探讨，它因为地壳组成物质的多元化，所以地壳导电率的不同造就了地壳电流的多样化，由这些因素影响地表气候，再加上引力的影响、阳光的热影响，这就是我们的生活空间。世界气候变化持续异常，拉尼娜、厄尔尼诺、旱涝、强震、流感等灾害交替发生，人们必须尽可能的给予理解，以为防灾做准备。地球的大气圈、水圈和岩石圈的扁率变大，自转变慢，由于速度增量比不同，大气圈最慢，水圈其次，固体圈第三，所以，大气和海洋相对固体地球向西运动，加强赤道信风和赤道暖流，使太平洋海面东低西高，有利于拉尼娜事件形成；反之，太阳在南北回归线时情况正好相反，有利于厄尔尼诺的形成。也是厄尔尼诺现象通常在圣诞节附近发生的原因。从太空时代的角度来看，太阳已经将其火炉的温度调到了最适当的水平。但是科学家们奉劝人们大可不必为此担心，因为太阳的辐射变化不会给地球上的生命带来任何影响。导致太阳活动稍微减弱的原因似乎是由于太阳磁通量的变化，以前也曾发生过这种波动。较弱的太阳风意味着拖缓卫星的拉力也减小了，这样卫星就能够在轨道上停留更长的时间。多年以前，科学家证实太阳黑子的活动是周期性的，它的平均周期约为11年。太阳黑子是因太阳的热演变、聚集而形成的，太阳黑子的数量越多，代表太阳表面越活跃，产生的太阳风就越强，因此，太阳风的强弱变化也具有相同的周期性。最近一段时间太阳风的温度降低了14%，密度降低了17%。在过去的15年左右，太阳的总体输出量似乎要比正常值低。从历史资料看，许多人认为太阳黑子与天气有关联。比较热门的说法是，太阳黑子的周期性与厄尔尼诺现象的出现有关。年，我们将会拥有一个燃烧着巨大火焰的太阳吗？科学家预计太阳活动将达到史无前例的高峰期，既在年的太阳周期中太阳黑子最多而且太阳活动力最强的时期。所以我们可以预见到那时将发生大量的太阳活动。有史以来，科学家预测第24个太阳活动周（～年）中的太阳极大期可能比之前～年的高峰期释放更多的能量。太阳物理学家为即将发生一轮太阳活动而激动，一些新型的科学预测方法和监测工具已经被派上用场。然而，面对年的“世界末日”我们真的不知道应该为什么担心。根据人类此前所预测的众多世界末日的场景当中的一个，在年将是玛雅人所预言的“世界末日”。当玛雅第五太阳纪结束时，必定会发生太阳消失，地球开始摇晃的大悲剧。根据玛雅预言所说，太阳纪只有五个循环，一但太阳经历过5次循环，地球就要毁灭。而第五太阳纪开始于公元前年，历经玛雅大周期年后，就在公元年12月22日前后结束。这个玛雅人的预言场景事实上让人感觉耸人听闻，许多人说明至少太阳剧烈活动相对还是符合的。科学家发现在年的太阳周期与根据玛雅历法所提出的时间循环之间，可以找到一些可能存在的联系，但是这些联系也仅仅和天文观测有关系，玛雅人的确观察到了太阳的一些活动。此外，宗教经文（比如《圣经》）说到：我们即将迎接宣判日的到来，其充满了火焰和硫磺。所以，我们看起来似乎和当年等待年一样，正在等待年12月21日这个日子的到来。然而在我们迅速做出结论之前，退后一步进行全面的思考。如同其他的预言说年“世界末日”的场景一样，由太阳所喷发出的巨大的、毁灭地球性质的太阳耀斑抛射物，于那些凶兆预知者和不明科学知识的人极具吸引力。但是让我们从对太阳耀斑效应的研究中会看到，即使太阳到底发生什么，地球究竟会怎么样。事实上，我们的地球状态非常之好，它可以抵御更强大的太阳风暴。总而言之，太阳的剧烈活动是依靠地壳环电流表达在地球表面的，它对地球气候的影响，在之前并没有引起人们足够的重视和更为深入地探讨，不过有许多人认为太阳活动甚至可以影响地震的过程，甚至诱发地震。以下我们把地壳赤道环电流的若干性质总结如下：1、太阳风的能量转换到磁层磁场之后，磁层磁场由极光椭圆区进入地壳，在地球的地壳上形成地壳赤道环电流。由于地球的自转，地壳环电流的方向在地球纬度线上，最大电流值在赤道附近，电流遍布地壳形成导电层，电流强度以经度递减。2、我们知道地球如同浸泡在电离浆里的一个活动球体，在这个地磁系统中必然会生成许多电流系，地壳赤道环电流在地球磁系统中是主要的磁电转换系，这也是地球磁场的关键所在。3、地壳电流系依据电流最短路径原理，所以地电流就会有一个向地心的力，在这个力的作用下我们在地壳的表面感觉不到地壳电流的存在，也没有跨步电压的困惑。4、在以上电流向地心力的作用下，地壳电流环会存在一个最大电流层。在最大电流层之上降至居里温度的物体，它的剩磁是正向表达；在最大电流层以下降至居里温度的物体，它的剩磁是反向表达；在最大电流层中降至居里温度的物体，它的剩磁是磁力零表达；所以现在科学界认为的地球磁场的翻转没有必要那么频繁。5、地壳环电流在地面的表达就是地磁场，由于地壳及海洋的多样性，地磁场的存在就会显得丰富多彩。由于此地球磁场并不是标准的偶极磁场。它的两磁极的最短连线纵穿太平洋。6、吉尔伯特在年提出磁论，从此之后人类开始留下了地磁资料，从这些资料看，由于地壳干旱的原因，地磁场减少10％。依据亚洲和北美洲的磁场强度的多年变化，也可以看出地壳的变化。7、在南半球，年当时环电流的地壳最大阻值在非洲，所以当时最小地磁场强在非洲大陆。地球的干旱变化使南美的地阻变大，这样地球最小场强就转移到了南大西洋上。8、地壳环电流受太阳扰动的影响，太阳风的变化使地磁场强度增加，我们称为磁暴；它还会使两极的环电流增大。地壳环电流以及其产生地磁场都是动态电磁环境，所以说在地球的一些特殊的地方会产生动态趋势场，比如亚洲大陆和美洲大陆东侧的三角之谜，也许就是这样的产物。§5百慕大三角之谜百慕大三角的旅行者们每次惊险回归后就报道了他们的古怪经历：他们乘坐的船或者飞机会被一种奇怪的蒸汽所吞没，尔后所有的仪器都失灵、紊乱了，莫名其妙的雾会在整个海面上升起，而当时的自然天气都不可能产生雾，人们直到今天也没有找到令人信服的理由来解释这些电磁失常情况。于是，各种猜测众说纷纭，其中最流行的就是“外星人”劫持。如同关于飞碟传说一样，外星人在百慕大三角劫持船只和飞机的说法，也仅仅是人类对神秘事物的幻想。一、百慕大三角的神秘从这张百幕大三角地区范围地图上面，我们可以清楚地看到。该地区处在中美洲地峡以北并且横跨北回归线。附近有众多群岛和海峡：列斯群岛之间的佛罗里达海峡和向风海峡，莫纳海峡，以及由小安的列斯群岛之间的阿内加达海峡，瓜德罗普海峡，圣文森特海峡。由于百幕大地区特殊的地形条件，海洋电流变化很大，自然造成这个地区强烈的磁场异常。也就是说，百幕大曾经是地球磁场的一个非偶极子磁极。这里又会变成了地球磁场强大异常区域，绝大多数关于百幕大“魔鬼三角”的恐怖传闻的发生。百幕大地区由于特殊的海洋地理位置，附近存在一股强大的墨西哥湾暖流，并且已经存在一个非偶极子磁场。但是强度并不是很大，最多算是地球磁场的一处“涡旋”，在巴拿马运河连通了大西洋和太平洋水体以后，这个地球磁场“涡旋”终于发展成为地球的一个强大的磁场异常区域，导致大量神秘飞机，轮船的失踪事件频繁发生。其实要验证这个假说是能够办到的，可以在百幕大地区不同地点安放固定的磁力计，通过分析二者之间真实的客观联系数值也许能够最终解开“魔鬼三角”之迷。日本东面的“龙三角”是除百幕大三角之外的另一个海难，空难高发区域。此外在红海和地中海局部区域也存在和百幕大海域类似现象。这些海域的异常现象也是由于大密度的海洋感应电流形成的强烈地球磁场变化的结果。所谓百慕大三角，是指北起百慕大群岛，西到美国佛罗里达州的迈阿密，南至波多黎各的一个三角形海域。从年开始，数以百计的飞机和船只都在这里神秘地失踪。现在，百慕大三角已经成为那些神秘的、不可理解的各种失踪事件的代名词。地球磁场跟地球引力场一样,是一个地球物理场，它是由基本磁场与变化磁场两部分组成的。基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，变化非常缓慢。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，与电离层的变化和太阳活动等有关，并且很微弱。根据现代科学证明,地磁(气场)对人体有很大的影响：如果人体长期顺着地磁的南北方向可使人体器官细胞有序化，产生生物磁化效应，使生物电得到加强，器官机能得到调整和增进，从而起到了良好的作用。地球的磁场还在不断发生变化，其变化方式也在发生变化。不同地方的磁场方向和强度均以不同的方式发生变化，可能变小。由于地球磁场的复杂性，要预计它在遥远的将来会是什么样子是不可能的。地球物理学家们利用分布在世界许多地方的磁场观测点收集的数据，通过数学模型分析出磁场将如何变化。我们把地球说成是一个大磁体，凡是磁体都能产生磁场，如同吸铁石一样。地球的磁场，实际上反映的是地表电流的存在，没有磁场，动物们将找不着方向，将不能生存，无法预知灾难的到来，最后将灭种，整个生态不平衡以后，人类靠什么生存。由于地球有强度适宜的磁场，宇宙射线才不会对地球上的生命产生强烈影响。北纬30度附近，位于美国佛罗里达州东部海面，古巴正东部海区的百慕大三角洲，它是大西洋中令人毛骨悚然的魔鬼三角洲。常有过往的船只和飞机在这里神秘失踪，人员尸骨无存。对这些神秘的现象，有人认为是海底强磁场所引起的，有人认为是存在于海底的外星人基地在作怪，还有人提出时空隧道假说，等等，众说纷纭，莫衷一是。有许多解释，使百慕大三角洲越发神秘莫测。魔鬼三角区有很多，比如比较著名的是百慕大三角（是由佛罗里达半岛，英国的百慕大群岛，以及波多黎各岛所组成的三角地区）以及亚洲的龙三角等。二、百幕大三角之谜的生成原因以下我们试着来解释一下百幕大三角之谜的原因，百幕大三角之谜相传的成分太多，有许多现象是无法确定的，对它的解释相对也并不是十分确切的。从图上看，百幕大三角距离地球赤道环电流并不太远，地球赤道环电流穿过南美洲赤道线有一些困难。向北进入加勒比海却显得比较轻松，加勒比海的水并不太深，所以也不会有太多的表现。当电流进入百幕大三角后，水深突然增加，电阻遽然减小。地壳增大的电流层转向更深处运行，这时会发生一种效应，就好像水流突然跌落一样，会产生一种负能量的趋势。使海洋表面的磁场间歇性的消失。日本东面的“龙三角”也会有同样的现象出现，地壳电流层穿过地球地壳导电最差的欧亚大陆，突然进入太平洋穿过日本岛，这时的电流层和百幕大三角发生情形一样会出现磁场消失的现象。只是这里的情况比不上百幕大三角出现的剧烈而已。§6地磁场和范艾伦辐射带地球磁系统的第三部分：地磁场部分主要是有两大部件组成的，它们是，差不多就是一个偶极场的我们非常熟悉的地磁场和上世纪六十年代才发现的范艾伦辐射带组成。范艾伦辐射带在之前，我们总是把它作为磁层的一部分来处理的，只是因为辐射带中的电离子大部分都是磁层所提供的。20世纪初，挪威空间物理学家斯托默从理论上证明，在地球周围存在带电粒子捕获区（大部分区域处于辐射带内）。年，美国物理学家詹姆斯·范艾伦用美国卫星上的盖革计数器，第一次直接探测到地球周围的高能带电粒子，从而证实辐射带的存在。早在20世纪初，就有人提出太阳在不停地发出带电粒子，这些粒子被地球磁场俘获，束缚在离地表一定距离的高空形成一条带电粒子带。50年代末60年代初，美国科学家范艾伦根据“探险者”1号、3号、4号的观测资料证实了辐射带的存在，确定了它的结构和范围，并发现其外面还有另一条带电粒子带，于是离地面较近的辐射带称为内辐射带，离地面较远的称为外辐射带，因是范艾伦最先发现的，故又称之为内范艾伦带和外范艾伦带。过去人们一直认为地球磁场和一根大磁棒的磁场一样，磁力线对称分布，逐渐消失在星际空间。人造卫星的探测结果纠正了人们的错误认识，绘出了全新的地球磁场图像：当太阳风到达地球附近空间时，太阳风与地球的偶极磁场发生作用，把地球磁场压缩在一个固定的区域里，这个区域就叫磁层。磁层像一只头朝太阳的蛋形物，它的外壳叫做磁层顶。地球的磁力线被压在“壳”内。在背着太阳的一面，壳被拉长，尾端呈开放状，磁力线像小姑娘的长发，“飘散”到二百万千米以外。磁层好像一道防护林，保护着地球上的生物免受太阳风的袭击。最近十年，科学家已经把磁层的概念扩展到其它的一些行星，甚至发现宇宙中的中子星、活动星系核都具有磁层结构的特征。地磁场俘获的带电粒子带，辐射带内的带电粒子是太阳风、宇宙线与地球高层大气相互作用而产生的高能粒子。它们在地磁场的作用下，沿磁力线作螺旋运动并不断辐射出电磁波。地球辐射带分为：1、内辐射带：高度在1～2个地球半径之间,范围限于磁纬度±40°之间,东西半球不对称。西半球起始高度比东半球低,最高处可在9,千米处开始。两半球都向赤道方面凸出。带内含有能量为50兆电子伏的质子和能量大于30兆电子伏的电子。2、外辐射带：高度在3～4个地球半径之间，起始高度为13,～19,千米，厚约6,千米,范围可延伸到磁纬度50°～60°。外带比较稀薄。外带内的带电粒子的能量比内带小，但远远超过外大气层中粒子的热运动能。被俘获的带电粒子实际上分布于整个地磁场，所以辐射带的界限并不分明，只是带内带电粒子的密度比其他区域大。辐射带中，内带的带电粒子数是相对稳定的，外带则变化较大,差别可达到倍。一般来讲，在内带里容易测到高能质子，在外带里容易测到高能电子。辐射带的范围和形状受地磁场的制约，也和太阳活动有关，在朝太阳的方向被太阳风稍被压缩。辐射带中的带电粒子数也同地磁场和太阳活动的变化有关。关于带电粒子的来历并不重要，木星和土星辐射带的带电粒子大多是来自磁场内的卫星。“范艾伦带”是太空时代的第一个重要天文发现，也为美国进入太空时代奠定了基础。范艾伦也被人称为带美国跑入太空时代的太空先驱之一。除此，“范艾伦辐射带”也衍生出磁层物理这一全新的研究领域，目前全球共有20多个国家的多名科学家在从事该领域的研究。而且目前，科学家还认为，在地震发生前，范艾伦辐射带内总会出现受干扰情况，由此判断测量范艾伦辐射带的变化可以预报地震。此后的科学研究发现，来自范艾伦辐射带的辐射对太空中的宇航员、绕地球轨道飞行的卫星探测器以及在靠近地球极区飞行的一些飞机会产生不同程度的影响。因此，研究范艾伦辐射带，对于减轻相关辐射对地球的影响、保护未来的空间探索项目十分重要。此外，范艾伦辐射带的辐射水平每月都会快速产生一个峰值，从而形成能量巨大的电子流，对空间仪器设备的电路造成破坏，甚至危害不幸路过此处的宇航员的脱氧核糖核酸(DNA)。物理学家就一直试图搞清究竟是什么原因触发了这一能量爆发——其能量相当于太阳风的数千倍。这一科研项目的目的，在于准确探测环绕地球周围的范艾伦辐射带的气层变化与地震现象之间的关系。此前，俄罗斯科研人员在研究中初步发现，在地震发生前，范艾伦辐射带内总出现受干扰情况，由此初步判断范艾伦辐射带的变化与地震发生存在某种关联。带电粒子（如宇宙射线的带电粒子）被地磁场捕获，绕地磁感应线作螺旋线运动，在近两极处地磁场增强，作螺旋运动的粒子被折回，结果沿磁力线来回振荡形成范阿仑辐射带。地球磁场的分布为南北二极强，赤道附近弱，是一个天然的磁捕集器。它能俘获宇宙射线中的电子和质子，使它们在南北极之间围绕地磁场的磁力线往返作螺旋运动而辐射电磁波。在地球大气层上空，带电粒子被地球磁场俘获，在那里形成了所谓的“范艾伦辐射带”。高能电子以接近光的速度飞行，遍布在两个类似于油炸圈的区域内，这两个区域通常被一个被称为“空洞区域”的空洞分隔开来。是什么使“空洞区域”中没有电子呢？这个问题一直是科学家研究的焦点。空洞很可能是有太空中的自然波扰动形成的，而不是其他理论提出的雷电作用形成的。雷电产生的无线电波逃逸到太空中，然后使粒子大量侵入大气，从而在两个环形带中形成了空洞。由于闪电在陆地上空发生的频率比水面上空要高，因此太空中的电波出现的频率要比陆地上空高。在分析了相关的卫星数据之后，我们发现频率小于1千赫的（电波最为强烈的波段）电波在陆地和海洋上空一样多。相反，电波活动在太阳引起的地磁扰动期间更为频繁，这说明自然界中的电波骚动是形成空洞的原因。地球的磁性,是地球内部的物理性质之一。地壳环电流产生的地磁场就像是一个大磁体,在其周围形成磁场,即表现出磁力作用的空间,称作地磁场。它和一个置于地心的磁偶极子的磁场很近似,这是地磁场的最基本特性。地磁场强度很弱,这是地磁场的另一特性。这里所说的地磁场只能算作地球表面磁场，并不是地球的全球性磁场（又称地球磁系统）。在地球的地壳环电流不变的情况下，地壳环电流对地磁场的影响就只有雷电产生的扰动了。强烈的太阳扰动会被地球电流环化解掉大量的涌动，以致反应到地球辐射带的变化就已经没有多少了。也就是说，地球的表面磁场给予地球辐射带的作用，雷电的效应应该大于太阳扰动。地磁场部分和磁层磁场部分依照赤道环电流为它们的分界线。§7地球磁场为人类所利用我们所能见到的自然现象都可以说是能量的过程，在这些过程之中能量不仅是守恒的，而且也是可以转移的。引力的能量起源于太阳系诞生时的本质，它现在是耗散的，难能再生的。阳光的能量是我们赖以生存的源泉，但是它是分散的，很难统一调配的。太阳风带给地球的能量却非常有趣，虽然它的单位面积的量很小，但是由于它和地球的导电层起作用产生了地球的磁系统，这样地球就可以百倍地接收到地球单位面积的能量。一、能量守恒定律我们在处理像地球磁场、地球的演化等大的问题的时候，能量的问题就必须是给予优先考虑的关键所在。地球磁场的成因，先前提出的几近百个理论，大部分人都把目光放在地球的核上，因为地球磁场是神秘的，地核也是神秘的，形成的理论当然也是神秘的，这样任何人都将无从反驳。殊不知在行星地球的内部，能量几乎无法进去，当然更是也无法长期大量向外输出。在地球内部，从大的数量级看它是一个无源场。能量守恒与转化定律是19世纪三个重大发现之一。该定律是在5个国家、由各种不同职业的10余位科学家（好几位是业余的）从不同侧面各自独立发现的。其中迈尔、焦耳、亥姆霍兹对发现能量守恒定律做出了主要贡献。迈尔是德国医生，迈尔最早是从人体新陈代谢的研究中得出这个重要发现的。年，迈尔在一艘驶往爪哇的船上作随船医生，他在给生病的船员放血时，发现病人的静脉血比在欧洲时的颜色要红些，由此引起他的沉思。他想到热带地区人的静脉血所以红些，是由于其中含氧量较高的缘故，而氧所以多出来，是机体中食物的燃烧过程减弱的结果。这使他联想到食物中化学能与热能的等效性，由此推测如果人体能的输入同支出是平衡的，那么能在量上就必定是守恒的。年，迈尔《论无机界的力》的论文，进一步表达了物理化学过程中能量守恒的思想。焦耳是英国物理学家，他极力想从实验上去证明能量的不灭。～年，经过多次通电导体产生热量的实验，他发现电能可以转化为热能。年，他钻研并测定了热能和机械功之间的当量关系，做了一系列的实验，并宣布：自然界的能是不能毁灭的，那里消耗了机械能，总能得到相当的热能，热只是能的一种形式。亥姆霍兹是德国物理学家、生理学家，他是从生理学问题开始对能量守恒原理进行研究的。于年出版了《论力的守恒》一书。在这部篇幅不长的著作中，亥姆霍兹确认“力”的守恒定律在自然界中所起的作用，这本著作就成了能量守恒定律论证方面影响较大的一篇历史性文献。在该定律发现的过程中，除了上述3位物理学家做出重要贡献外，还有法国的卡诺于年，德国的莫尔于年，法国铁道工程师塞甘于年，生活在俄国的瑞士化学家赫斯于年，德国物理学家霍耳兹曼于年，英国律师出身的电化学家格罗夫于年，丹麦工程师柯耳丁于年，以及法国物理学家伊伦于年，都曾独立地发表过有关能量守恒方面的论文，对能量守恒定律的发现做出了贡献。能量守恒定律的发现，在物理学史上又是一个非常重要的事情：1、这个定律表达了关于运动量不可创造和不可消灭的普遍规律；2、这个定律概括了一切物理现象：力、热、电、磁、光的现象，这就有可能用这一定律从同一观点去研究所有这些现象，把它们看成是可以互相转化的运动的不同形式，揭示了这些运动形式之间的统一性；3、这个定律的发现也促进对自然现象认识的辩证观点的发展，自然辩证法认为，自然界中的一切现象都应当是相互联系的；4、能量守恒定律是一个物理理念，它有各种形式的物理数学表达，它是古典物理学的核心之一，它为现代物理学奠定了基础。在物理学界有如此重要地位的能量守恒与转化定律，在当年虽然有10余位科学家从不同侧面各自独立的阐述，可是要在当时的科学界得到公认却是何等的艰辛。迈尔因没人理解变成了疯子，焦耳为此坚持了40余年的实验，这都是因为当年人们思想理念中的偏执理念在作祟。由于文化理念的惯性，直到现在，我们去讨论我们所未知的世界时，无论是科学家也好，还是公众舆论都常会把能量守恒理念放置一边，而置之不理。人造磁球二、地球磁场发电1、赤道表面覆盖导体发电在年法拉第曾经提出过一个非常有趣的实验。当时法拉第已经非常熟悉磁场产生电的理论了。他认为，地球中心是块大磁铁，根据海水切割地球磁场产生电动势的想法，测量泰晤士河两岸间的电位差，就希望能依此计算出河水的流速来。结果法拉第怎么着也没测量出这个电位差来，就算当时的测量技术不先进，可是现代的人为此也还是达不到目的。不过年哈特曼根据法拉第的想法，对水银在磁场中的流动进行了定量实验，并且成功地提出粘性不可压缩磁流体力学流动(即哈特曼流动)的理论计算方法。法拉第当年的想法是非常正确的，只是地球磁场不是当年法拉第理解的那种情况。用本书中提出的地球磁场理论看，当时认为切割地球磁场的海水其实就是生成地球磁场的海洋——地壳环电流层是一体的。有我们前面讨论过的，地壳环电流有趋向地心方向的力，所以在同一导体的地表上，我们是测量不到电位差的。法拉第的思想告诉我们，地球磁场是可以用来发电的。解决问题的关键是，要把发电的这块导体与生成地磁场的导体绝缘开来。产生雷电的云层就是根据这个原理发电的。在地球赤道的附近，我们在海面上铺设大面积的外绝缘导体，用这样的方法我们是可以得到我们想使用的电力的。用铺设大面积的外绝缘导体的方法，我们不仅可以得到电力。而且还可以用来调节雷电产生的频次和大小，减小雷电对其他事物的伤害。但是我们取得了电力，必然就减弱了地球磁场强度。怎样做才是真正地对我们人类有利，这也是需要我们很好研究和做实验的课题。2、赤道导线引出电流还有另外一种利用地球磁场产生电力的方法：从第五章我们知道，安第斯山在赤道环上是导电率最不好的一段，如果我们用导体调节赤道安第斯山脉的导电率，厄尔尼诺现象和拉尼娜现象就可以进行人工的控制。产生厄尔尼诺现象有着巨大地壳的环电流能量，为此我们有时不必要把它完全变成地磁场的磁能。这样我们就可以把这些能量取出来提供我们生活的需要。3、磁极极光椭圆导体引出电流从前面我们知道，磁层的能量都是从极光椭圆区进入地壳的，磁层强大的能量地壳无法转换时，在电离层处就产生了极光。如果我们在极光椭圆区布置导体，那么我们就会把多余的电力引导出来，为我们所利用。三、调整地磁场强度改善生存环境在前面我们知道，地球磁系统可以分为三大部分：磁层磁场、地壳环电流和地磁场。调整赤道环电流可以调整地磁场的分布和部分磁场的强度。从气象学我们知道每年降雨量的概率也和太阳活动密切相关，太阳活动在阳光对地球的影响并不显著，这种相关在于改变地磁场而影响了降雨的凝结过程，所以使得年降水量得以增加。我们对太阳活动及太阳风的研究才仅仅只有50年的时间，从中国人知道有地球磁场已经有一千多年的历史，吉尔伯特提出对地球磁场的理解也有多年了。多年来讨论电、磁和地球磁场文化的厚重积淀，使我们发现，如果我们现在说地球磁场是太阳风吹在地球上产生的，那么好多人对此还是无法接受，因为他们的地球磁场是内源的理念很难改变，他们无法理解那种浩瀚的太阳风扫向地球的震撼场景和内源地磁场的相互关系。陆地、海洋和大气组合起来的地球气候是一个非常复杂的系统，阳光和太阳风相互给它们施加的影响，让它们变得扑朔迷离，如果人类可以人为地调整其中的太阳风造就的地球磁场，那么这样的事就会变得非常有意义，因为人类为此就要进入了一个崭新的时代。自然赋予我们的不仅仅是生命和感知，更值得庆幸的是它还赋予我们思想和理性。平和地对待我们周围的环境、阳光和地球磁场，还要平和地对待我们自己和我们生活着的宇宙。本章重点概要（一）宏观地看，地球磁系统实际上是一个变磁器：它是把携带太阳风能量的磁层磁场经过地壳导电系统变换出地磁场。在这里问题的关键是，地壳导电系统的形成。（二）因为只有转动着的球体才会把磁场转换出的电流理顺，没有转动的球形壳层在带电粒子的轰击下，只能产生表面电层，而不会变换成为变磁器。就地球而言，地壳导电系统最大环电流应该在地球的赤道上，地壳赤道导电环的电阻率的变化会对地球气候产生巨大的影响，厄尔尼诺现象和拉尼娜现象正好也说明了这一点。（三）地球赤道环电流穿过南美洲赤道线有困难。向北进入加勒比海却比较轻松，加勒比海的水并不太深，所以也不会有太多的表现。当电流进入百幕大三角后，水深突然增加，电阻遽然减小。地壳增大的电流层转向更深处运行，这时会发生一种效应，就好像水流突然跌落一样，会产生一种负能量的趋势。使海洋表面的磁场间歇性的消失。（四）用铺设大面积的外绝缘导体的方法，我们不仅可以得到电力。而且还可以用来调节雷电产生的频次和大小，减小雷电对其他事物的伤害。但是我们取得了电力，必然就减弱了地球磁场强度。怎样做才真正对我们人类有利。这也是需要我们很好研究的课题。（五）安第斯山在赤道环上是电阻最大的一段，如果我们用导体调节赤道安第斯山脉的导电率，厄尔尼诺现象和拉尼娜现象就可以进行人工的控制。厄尔尼诺现象的巨大能量，我们有时不必要把它完全变成地磁场的磁能。我们可以把这些能量取出来供我们生活的需要。
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