伍岳明 （wuyueming001@hotmail.com）　2007.09

许多数教科书上都认为：处于地面以上 60～1000km这一范围内的地球大气由于吸收太阳的紫外线和软 X射线等頻段辐射而电离,形成了电离层。但他们忽略了等离子体的电子和离子具有强烈的保持电中性倾向的问题。任何小的正负电荷的非中性偏离，都会立即产生强大的静电场，使它恢复电中性。电离层中等离子正负电荷分离决非太阳紫外线辐射所能动，何况太阳紫外线辐射为何只在该处形成电离层，其物理机制也未解释清楚。

2003年 5月，由北京大学出版社出版的《大气物理学》教材中，提出“全球大气电过程的球形电容器模型”认为：“地球和电离层相对于大气是高导电体， ……可把整个地气系统视为一个由地球表面和电离层下界面两同心球面组成的球形电容器,其间充满着微弱导电性能的大气介质 ,地球表面为负极,正极为电离层的下界面,两者之间的电势差为整层晴天大气电势差 U,是U引起了晴天大气电场E, ……。”笔者非常赞同上述观点；认为应从整体上，对目前的电离层理论模式如：中纬电离层理论模式、低纬电离层理论模式 等进行综合研究；笔者提出的“共旋”电离层物理模型就是用我们中华民族的整体思维方法，综合研究形成电离层的动力学机制，不仅定性且定量描述了电离层中的共转电流、赤道电急流等动力学过程；并对形成极光、地球南极上空臭氧层空洞等自然现象的机制作了探讨。其目的是想抛砖引玉、多角度思考，以求得电离层理论与大自然实际的符合。

“共旋”的科学假说提出了一个自然界中无生命的物体，在共旋的情况下，也具有复制再生功能的重要见解 。是地球的自转，地球上各质点的共旋，产生了地球引力波，是地球金属内核中各质点的共旋起电，使地核面不同时空位带有不同的电荷，是核面正负电荷的湮没，产生的热能使外核熔融。该能量是地球能量之源，是地球电场、磁场之源。星球转动、生生不息，地球的引力能、电能和磁能都有再生机制；金属导体地核逆时针转动，在地核面上正负电荷被大部分中和（湮没）后，到达地表其电场还有 130伏/米的平均电场强度，使地球成为带负电的星球。是地球大气电容促成了地球的电离层。地球是个带负电的准静电球体，其周围存在电场。是地球的电场、磁场及地心的共旋梯力和太阳的引力场、太阳风等的共同作用使等离子体的高空大气分层为 D、E、F1、 F2等电离层次。共旋假说的电离层模型是这样构建起来的。

8.21、共旋假说的地球电离层模型

1、地球大电容中的电场力。地球表面带负电，带电量为： ；其中地球表面单位面积上所带的电荷为： ；将地球半径、地表电场强度 、真空介电常量；代入，得地表带电量为：

。又设地球大气电容为球形电容器，其值为：

；地球大气电容的电离层带电量也应有： 库仑的带电量，这才是电离层的离子源。电离层内的电场强度应有：

；该式说明电离层的电场强度随距地心距离 r的增大而以减小。若设地球大气电容电离层电场中的单个带电粒子的带电量、质量分别为：

、；若单个带电粒子为质子，其电量为： ；质量为：

。受到的电场力为： 。

将地球的质量、引力常数 ，计算该质子受到的重力为： ；可见电场力大大于重力，所以带电粒子基本上按带电量的多少、所处的位置而分层，带电量大的离子必须受到大的电场力作支撑，因此重离子靠近地球表面，按离子质量的大小排列，如：臭氧离子与电子复合的臭氧层高度在 左右。而质子层的高度应更高；由华人科学家丁肇中主持的人类首次太空物理实验意外发现在地球赤道上空 400公里处存在质子环。这就是说：假若没有地磁场的情况下，质子（离子）层的高度应为（因赤道处的粒子受指向赤道面的共旋梯力为零）。

2、地球上空带电粒子受到的磁场力。

地球上空大气中的带电粒子跟随地球大气层一道转动，在地球磁场中会受到洛伦兹力作用，其值为： ；虽然地球电场、磁场同向同速旋转，但由于地磁场是各向同性的偶极磁场，故带电粒子运动速度可视为： ；式中为地球自转角速度 ；若带电粒子在某处的地磁场强度为： ；式中为地球的磁矩； 为真空磁导率；为该处的地磁余纬；则磁赤道上带电粒子受到洛伦兹力为：

；比较电离层电场中的带电粒子受力的数量级，受到磁场力要比受到地球电场力小得多。

3、地球上空带电粒子受到的共旋梯力。

笔者在《共旋引力波理论初探》一书的第五章第二节《“共旋引力波”理论在飞天登月中的应用》中，认为地球引力波对人造卫星有摄动作用，当地球引力波到达卫星时，其引力梯度（单位径向距离的力的大小）是矢量，是有方向的，方向指向地球中心 ,图（8.21）是地

图（ 8.21）地球卫星受共旋梯形力作用示意图。

球卫星（包括天然和人造）受共旋梯力作用示意图。

地球引力波由地球自转轴中心向四周发出后 , 对地球上空卫星的作用的引力梯度（单位径向距离的力的大小）是与卫星所处的位置（如天球上的纬度 、距离等）有关的。指向地球赤道面的分引力梯度会产生一个指向地球赤道面的分力 ,笔者称其为指向赤道面的共旋梯力,其值为: ；同时也有一个指向地球自转轴的分引力梯度，产生指向地球自转轴的共旋梯力 ,其值为:；

同理:地球引力波对地球上空质点的引力梯度（单位径向距离的力的大小）是与质点所处的位置（如纬度等）有关的。若带电粒子为质子，则由指向地球赤道面的分引力梯度产生一个指向地球赤道面的共旋梯力为 :

；

同时也有一个指向地球自转轴的分引力梯度，产生指向地球自转轴的共旋梯力:

；

这两个共旋梯力的合力（即地球对其上空质点的引力）指向地心，但合力的绝对值是随质点所处的纬度 不同而呈规律变化的。作 ；随质点所处的位置即离地面高度从地表面到 100万米高空和所处纬度从北极到南极度变化的共旋梯力合力的等值线图：（见图 8.22 地球上空随质点所处的位置和所处纬度变化的共旋梯力合力等值线图）

图 8.22地球上空随质点所处的位置和所处纬度变化的共旋梯力合力等值线图：

从图8.22可见不带电的中性质点所处纬度 于正负 时，其共旋梯力合力绝对值最大，在赤道与两极地面附近为最小。看来地球大气物理学中的全球大气在赤道附近的赤道低压带和位于南北纬 度的副热带高压带产生机理就源于此。若质点为带电粒子，其不仅受地球共旋梯力的作用，同时还受地球电磁场的作用。受地球大电容的作用，地球表面带有负电荷，在一定高度的空中，随带电离子的不同带电量和不同重量而分成不同层次的带正电的离子层，由于带电粒子又有很强的等离子体静电恢复力的作用，故离子层周围又有电子层，带电粒子在地球磁场中又受到磁场力的作用，地球磁场又受到太阳风的作用；在白天带电粒子又受到太阳引力的作用，使等离子体的高空大气运动甚为复杂，使其分层为 D、E、F1、 F2等电离层次。从总体上说，电离层带有正电荷，正是由于它有很强的等离子体静电恢复-力的作用，使其周围又有电子层。给人以中性等离子体电离层的感觉。

8.2 2、几种电离层现象的动力学过程。

1、共转电流，电磁学告诉我们：电流是电荷的定向运动，实际上是带电粒子的定向运动。电离层中的带电粒子跟随大气层以地球自转角速度转动，这种旋转电流笔者称之谓共转电流。该电流与生活在地球上的人们同角速度同向运动，与人们没有相对运动，因此人们感觉不到它的存在，但以恒星参考系观察，它的运动速度就是： ；运动电荷是产生磁场的源（见本章第一节《探索地球磁场形成机理》一文），按毕奥萨伐尔定律：运动电荷，在磁场中某点所产生的磁感应强度 ，是由所有运动电荷量在该点所产生的 的迭加。即：；按地球大气电容的电离层带电量： 库仑分布在距地面100kM高度计算，能使地球北极地磁强度增加约 。

电离层中的带电粒子在地球磁场中运动，会受到洛伦兹力： ，使离子垂直磁力线向外发散，使电子向地球会聚移动， 因此一般情况下，电子层在靠近地球的一面。而离子的发散是上行离子的动力，由于该动力与地球磁场强度成正比，地球南北极磁场强度是磁赤道区的二倍，因此地球磁层中来自电离层的离子源区在极区，根源就在于此，大量的卫星观测资料都证实了这一点。

2、赤道电急流、电离层的赤道异常现象是指白天电离层磁赤道区出现赤道电急流等异常现象，致使地球磁场产生周日变化和地磁脉动。引起该现象的原因是太阳的引力作用。笔者在《共旋引力波理论初探》一书的第三章第四节《引力波与钱江潮》中指出，太阳和月球的引力波到达地球表面时对地球上质点的引力比值为： ；地球表面上大气潮汐所具有规则全日潮，与月球活动没有影响，其原因就在于此。同样，电离层中质量为 的带电粒子，太阳对带电粒子的引力为： ；式中为太阳质量、 为太阳到地球的距离。就是说太阳引力能使带电粒子产生加速度 ,其值为:

，虽然带电粒子质量较小，如质子 。

；该太阳引力足以使地球大气中带电粒子向太阳迁移（见图 8.23电离层的带电粒子受力情况示意图）。

图8.23电离层的带电粒子受力情况示意图（太阳位 x轴方向）

若设电离层向阳面任意点的大气粒子受太阳引力为 ；太阳引力使粒子向太阳方向迁移，移动了 的距离。该点受太阳引力补偿了绕地球转动增加了 距离的离心力，其值为：，且： ；则增加距离为：

；带电粒子在移动 的距离过程中，其平均运动速度为：

；在地磁场运动的带电粒子若为质子，则其受到一个由西向东（向早晨）方向的洛伦兹力，其值为：

；是该力造成在磁赤道地区附近几度的狭窄地区产生强大的电流，即称为 的赤道电急流（产生极光电急流机理相同）。作磁赤道面（ ）以及从一个地球半径到二个地球半径内的粒子受洛伦兹力的等值线图：

图8.24 磁赤道面上带电粒子受洛伦兹力等值线示意图

从图上可见，地方时中午时分（ ）磁赤道面上电离层中带电粒子受洛伦兹力，其值最大，也即 的赤道电急流最大，越靠近地球赤道电急流越大。

3、南北半球的 电势随地磁纬度和地方时的分布。

电离层中带电粒子在地球磁场中受的洛伦兹力越大，说明带电粒子的运动加速度越大，也即离子运动越快、因此也可认为电流越大。作 的洛伦兹力等值线图，也可认为是形成 电势的随地磁纬度和地方时的分布图。因为电离层离子受洛伦兹力为 的值为：

若设电离层离地心距离为：的等高球面上（即 200千米高空）；作电离层离子在地磁纬度和地方时 的受地磁场的洛伦兹力等值线图，

图8.25 南北半球的 电势的随地磁纬度和地方时的分布示意图。

该图就是南北半球的电势的随地磁纬度和地方时的分布示意图。（见图 8.25）。该图好比从更高的空中俯视地球，电流系白天在北半球沿顺时针方向流动，在南半球则是逆时针方向流动。在磁赤道附近几度的狭窄地区有着强大的 赤道电急流。其方向为由西向东（向早晨）方向。在夜间，由于太阳引力波是长程波，背阳面的电离层离子受不到太阳引力作用，即使有月球引力作用，但其引力只有太阳的 1/200；经计算其不能引起赤道电急流（即使有也很小），所以夜间电离层中只有共转电流，带电粒子在地球磁场中运动产生洛伦兹力： ，只不过使离子垂直磁力线向外发散，使电子向地球会聚移动，因此 D、E、等电离层次夜间消失，原因就在于此。

另外，在白天和夜间的交界处，即晨昏时刻电离层中的带电粒子在该处是受到和不受到太阳引力作用的分界点。从图 8.25中可看到此时带电粒子在地球磁场中运动产生洛伦兹力变化率最快，（等值线密度最高），因此出现晨昏电场是理所当然。 `

4 、极光发生机理的探索。在地球的高纬地区，可经常看到天空中变化不定的色彩，以前人们总认为是由太阳喷发出来的带电粒子，在地磁场磁力线的引导下，从高纬进入地球高层大气，并与与那里的原子和分子相互作用而产生的一种发光现象。笔者却认为是在极区，是上行离子中电子的能级跃迁而产生的一种发光现象。电离层中的氧离子氮离子等，在地球磁场中运动所产生洛伦兹力： ，使离子垂直磁力线向外发散，而极光卵区是磁力线曲率最大的地区，从图 8.23中可看到该区离子受洛伦兹力最大；该区的电离气体符合等离子体的三个条件 ，一是电离气体的线度远大于德拜距离即符合电中性要求；二是德拜球内包含的带电粒子的数量远大于 1，符合集体相互作用要求。三是由于磁力线曲率最大，发散的上行带电粒子碰撞机会少，符合碰撞足够少要求。该区的地球磁场强度又比较大，所以该区上行离子与电子的碰撞，发生能级跃迁而出现极光。另据杨友华等人在《南极中山站夜间极光特点》一文中所说：“通过 125天的仔细观察发现，极光出现的大致时间是中山零时（地方时）左右和傍晚18： 00左右，零时左右出现的无论从规模、强度还是出现的的频次一般都大于傍晚。”说明极光与太阳喷发出来的带电粒子从时间上看并无直接对应关系。文中说“极光的出现与地磁场的扰动存在对应关系”、“极光的走向一般是垂直于中山站的磁北方向”、“多数极光是射线型的”这就证明极光卵区的上行离子与电子的碰撞，发生能级跃迁出现极光是有实际依据的 , 太阳粒子辐射增强会引发地磁场的扰动,而极光的出现与地磁场的扰动存在对应关系 ,所以人们会误认为是太阳喷发出来的带电粒子，从高纬进入地球高层大气，并与与那里的原子和分子相互作用而产生的一种发光现象。

联想到近几年对破坏地球臭氧层元凶的争论，笔者认为地球南极上空臭氧层空洞是一种自然现象，正如极光一样，是极区的臭氧离子在洛伦兹力作用下，垂直磁力线向外发散，使离子上行而成为空洞。其根源就在于此。

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