天然电磁场的成因

环境电磁场有天然和人为的两大类，它们是自然生物圈中的重要组成部分。天然电磁场包括地球、近地球和宇宙成因，相应分为地球固定磁场（地磁场）、地球电场和从103Hz到1012Hz频率的交流电磁场。闪电是一种大气电，或称天电。地球、太阳和星系的核辐射，则是交流电磁场源。人为的电磁场是由人类技术工程造成的。其电磁场辐射包括工业频率和全部的无线电（高频的或称射频的）频率域。电磁场的强度取决于功率、发射参数和观察点的距离等。也有将人为电磁场分为：工频电磁场、射频电磁辐射场和微波辐射场三大类，其中无线电广播、电视、微波通讯等的各种射频设备的辐射，影响区域较大。

关于地球磁场的形成原因，一种关于地球磁场成因的假说认为：地球磁场的形成原因和其它行星的磁场的形成原因是类似的，地球或其它行星由于某种原因而带上了电荷或者导致各个圈层间电荷分布不均匀。这些电荷由于随行星的自转而做圆周运动，由于运动的电荷就是电流，电流必然产生磁场。这个产生的磁场就是行星的磁场，地球的磁场也是类似的原因产生的。这个假说和各个行星磁场的有无和强弱现象符合的非常完美。

磁场是磁体周围存在着的一种特殊物质，磁体能吸引磁性材料以及磁体之间的相互作用，都是通过磁场这种物质作用的结果，物理学中就把这种特殊的物质叫磁场。
虽然磁场既看不见，又摸不着，但它确实存在于磁体周围的空间之中，磁场的基本性质是对放入其中的磁体能产生磁力的作用。
磁场是有方向的，物理学中规定磁场中的某一点，小磁针静止时的N极的指向就是该点的磁场方向。

对于频率低于1Hz的天然电磁场，它起源于地球稳定磁场与太阳发射的带电粒子流之间复杂的相互作用，对于频率大于几赫兹的天然电磁场，主要来自赤道附近的雷电及人工的电磁系统。

在行星际空间中存在着由太阳发出的连续的等离子体流。这种等离子体流通常称为太阳风。等离子体主要由电离了的氢（质子和电子）组成。在电性上是中性的，其密度一般为每立方厘米约2～10个离子，它们以300～600km/s的平均速度不断地从太阳吹出。

地磁场近似于一个地心偶极子的磁场，磁力线应按偶极子场的分布形式伸展到行星际空间去。可是，在太阳风和地磁场的相互作用下，磁力线被太阳风压缩在一个有限的空间区域内，而太阳风却被地磁场阻挡在这个有限空间区域之外。对于太阳风而言，这个区域成了空腔，而地磁场完全被局限在这个空腔之内。这个具有磁场的“空腔”称为磁层。磁层的结构如图8-1所示。地磁场的磁力线被太阳风吹向背日方向，在向日面被压扁，而在背日面形成了很长的磁尾。致使磁场分布极不对称，约在2～7个地球半径的范围内才保持着偶极子磁场的性质。当太阳粒子流向着地球运动时，在地心偶极子磁场的作用下，将产生分布在粒子流锋面上的感应电流，这个电流所产生的磁场迭加在稳定的地磁场上，引起地磁场的畸变。当太阳风的能量发生变化时，磁层的外边界（通常称为磁层顶）亦发生移动，感应电流产生的感应磁场亦将发生变化，致使地磁场发生扰动。

图8-1 磁层结构

此外，太阳风等离子体可以从磁尾进入中性片（即磁尾中南北半球之间磁场等于零的区域），并在磁层中形成一个等离子层。在带电粒子进入磁层的过程中，在地磁场的作用下，这些粒子将发生飘移运动，正粒子向西飘移，负粒子向东飘移。二者所产生的电流都是向西的，称为西向飘移电流。在粒子飘移的同时，粒子还将作回旋运动（即粒子是螺旋状运动），由回旋运动产生磁化电流，它与飘移电流共同组成赤道环电流的主要部分。太阳风能量的变化，必然引起赤道环电流的变化，从而又使地磁场发生了扰动。

太阳的活动除了具有粒子辐射之外，还存在着电磁辐射。由于太阳发射的紫外线和X射线的作用，地球大气将产生电离现象；高空大气的密度较低，电离作用较快而复合作用较慢，因此，大气在不同程度上含有电子和离子。一般说来，在50km以上，大气已开始发生电离，在100km以上，大气所含电子和离子逐渐增多，在50～600km范围内形成了电离层。电离层在地磁场中的运动，就像导体在磁场中运动一样，在电离层中就会产生感应电场并形成一定的电流分布，组成产生变化地磁场的电流体系。电离层在月球引力和太阳热力的作用下发生潮汐运动与对流运动，前者是以半月周期占优势的周期运动，后者主要是从赤道向两极的运动。它们都是以水平运动为主的运动。太阳电磁辐射的变化，必将引起电离层状态的改变，影响到上述各电流体系的形态与强度，从而引起地磁场变化部分的形态和强度的改变。

图8-2 雷电能量密度谱随距离的变化

在地球的赤道区域，几乎总有雷暴发生，每年一般至少发生100天雷暴，在中心区域，每年发生200天以上的雷暴。此外，在温带地区还有与冷风运动有关的雷暴活动。雷电近处的电磁场，在1～10kHz的频率范围内，具有很高的能量密度，在较低频率范围，能量密度较弱（图8-2）。高频成分随着传播距离的增大而迅速衰减，而低频成分的某几个频率成分经过地球——电离层波导传播而有所加强。对于很远距离的雷电，为大地电磁测深提供了一个近乎均匀的信号源。