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是谁在保护地球大气,使之不被太阳风剥蚀殆尽

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许多科幻作品都曾畅想过人类未来如何改造火星环境以让其更适宜人类居住。其核心理念在于使火星大气更为浓密,增加其中的氧气含量。

尽管改造火星的具体实施方案五花八门,但都离不开在火星的表面释放二氧化碳。这一操作不仅能够提升火星的大气压力,同时通过温室效应提高表面温度,使水能够以液态存在,从而创造适宜来自地球的生物繁衍的环境。通过光合作用逐渐增加大气中的氧气含量,最终使得火星成为适宜动植物或人类呼吸的环境。马斯克提出的“核爆”火星计划的目标是通过核爆炸使火星极地冰帽蒸发。他认为,这将使火星变得足够温暖,从而为人类殖民者提供相对宜居的生存条件。


图1 人们构想中改造后的火星拥有和地球相似的海洋和温暖湿润的环境。

图片来源:https://sitn.hms.harvard.edu/flash/2015/water_mars/

然而,这些方法都避免不了要面对火星的一个先天不足——没有全球性磁场。大家一定会好奇的一个事实是,相比于太阳系其他行星来说,火星和地球大小重量相似,距太阳的距离也相近,为何地球生机勃勃,火星却是一片不毛?最重要的原因就是地球自身具有强大磁场,可以籍此和太阳风进行对抗,从而很好地保护自己。地磁场就是我们今天的主角。


图2 火星磁场不像地球磁场那般强大,可以抵御太阳风。

图片来源:NASA

地球磁场是一个庞大而复杂的磁场结构,它是地球生命的强大守护者。



图3 计算机模拟的地球磁场。这些线代表磁场线,蓝色表示磁场指向中心,黄色表示远离中心。密集线束位于地球内部。

图片来源:维基百科

一、地球磁场的结构特征


地球磁场的结构主要包括内源场和外源场两部分。内源场顾名思义来自地球内部物质及其运动,包括地核场(主磁场)、地壳场、感应场,外源场则起源于地表以上的空间电流体系,即电离层和磁层以及地球以外的行星际空间电流引起的磁场。

主磁场是地球磁场的主导成分,它在地球表面的分布呈现出近似于一个巨大的磁偶极体的形状。主磁场的强度和方向不仅在空间上存在差异,而且随着时间的推移也会发生变化。


图4 地球偶极磁场,可以视为一块巨大的磁铁

图片来源:https://physics.aps.org/articles/v9/91

地壳磁场是由地球表面的岩石和矿物所产生的磁场,这些岩石和矿物中的磁性物质会对地球磁场产生局部的影响。地壳磁场的强度分布在地球表面上并呈现出极大的不均匀性,也称为磁异常。


图5 在海拔400km处计算的地壳磁场。

(Purucker et al., 2002)

地球磁场中还包括一些局部的磁异常,这通常是由于地球内部的地质活动(例如外核不均匀冷却释放能量)造成扰动,或其他特殊条件所引起的。其中最著名的就是南大西洋异常区,即南美洲和南大西洋的多年来磁场强度持续减弱的大片区域。时至今日,该区域仍在不断扩大并向西南方向移动。


图6 颜色代表磁场强度。地磁场的南大西洋异常区,磁场强度在这一区域明显小于其他地区,原因仍然不明确。

图片来源:维基百科

其可能源于地球磁极倒转期间的磁场扰动,地磁倒转期间,磁场不稳定,可能同时出现多个磁极。也有人认为其可能是由地球内部一个巨大的致密磁性岩石储层引起的,这个储层称为“非洲大型低剪切波速体”,其成因近期被认为与原始地球和“忒伊亚”星的大碰撞有关。但具体原因至今仍未确定。

外源场即来自于地球外部的影响。比如来自太阳耀斑期间冲击地球的磁云,会和外围的地磁场发生耦合,产生磁重联的现象。


图7 日冕抛射出的带电粒子团向地球而来,冲击地球磁场。

图片来源:https://www.jagranjosh.com/general-knowledge/geomagnetic-storm-1643966815-1

二、地球磁场的形成机制


地球主磁场是如何形成的,是一个诺奖级的难题,这与地球内部的物质运动密切相关。关于地磁场的形成,曾存在众多的早期理论如旋转电荷理论(地表分布着静电荷,随地球旋转形成电流,从而产生磁场。然而地球上的电荷总量远不足以产生如此强的磁场)、永久磁化理论(即地球是一块巨大的磁铁。但当地球均匀磁化至约80A/m,才能产生观测到的磁场,这几乎是天然岩石磁化强度的上限,地球不可能完全由这样的物质组成)等,这些理论都严重缺少合理性,因此如今都已鲜有人提及。

目前主流的是地磁场发电机理论,地球内部包括固态的地壳、上下地幔、流动的外核和固态的内核。其中,外核主要由液态的铁合金组成,而内核主要是由固态铁合金构成。


图8 发电机效应图,外核中的带电成分随地球自转运动切割磁场线。

图片来源:https://triumphias.com/blog/unlocking-earths-secrets-seismic-waves-2/

铁是具有磁性的元素,可以视为一种导体,而流动的外核在地球自转的作用下,切割地磁场的磁场线,形成了电流(法拉第电磁感应定律),而我们知道变化的电流可以产生磁场(安培环路定律),由此形成一个自激发的闭环。然而这就形成了一个磁场切割磁场线进而产生磁场的永动机问题,因此还需要更多探究。


图9 外核切割地磁场线的过程和我们所熟知的通电线圈在变化磁场中产生电动势的变化相似

图片来源:https://www.geeksforgeeks.org/faradays-law-and-lenzs-law-of-electromagnetic-induction/

三、地球磁场的作用


地球磁场对地球上的生命和自然现象有着多方面的影响,其中一些影响至今仍然是科学研究的热点。

地球磁场对地球上的生物最大的作用莫过于保护作用。磁场可以阻挡太阳风带来的宇宙射线,减轻地球表面的辐射强度,从而保护地球上的生物免受辐射的危害。同时也有效地减轻了太阳风对地球大气的剥蚀作用。如果失去强大的地磁场,地球则可能向火星的方向发展,只剩下地壳剩磁,无法抵御太阳风的冲击,大气被剥蚀殆尽。

地球磁场对地球上的生命和自然现象有着多方面的影响,其中一些影响至今仍然是科学研究的热点。

地球磁场对地球上的生物最大的作用莫过于保护作用。磁场可以阻挡太阳风带来的宇宙射线,减轻地球表面的辐射强度,从而保护地球上的生物免受辐射的危害。同时也有效地减轻了太阳风对地球大气的剥蚀作用。如果失去强大的地磁场,地球则可能向火星的方向发展,只剩下地壳剩磁,无法抵御太阳风的冲击,大气被剥蚀殆尽。


图10 主磁场的损失使火星失去了适宜生命生存的条件,造就了其与地球截然不同的景象

图片来源:https://suindependent.com/life-earth-mars-going/

地球磁场在导航和定位系统中起着关键作用。许多动物利用地球磁场进行导航,而人类则通过磁罗盘等工具来确定方向。


图11 磁导航至今仍然是计算航向的重要工具

图片来源:https://maritronics.com/magic-compass-maritime/

地球磁场与太阳风相互作用,深刻影响了地球的电离层。这给无线通信和卫星导航系统等技术带来了挑战。太阳风及其引起的磁暴会造成电离层的强烈扰动。尽管地磁场在强磁扰时一般也只有几千纳特斯拉的强度,但已足以调动带电的粒子形成浓密的等离子体云块,在干扰卫星和地面之间信号传输的同时还会改变卫星周围的电磁环境,从而可能损坏其内部的仪器。因此地球磁场的研究对相关技术的发展具有指导意义。


图12 雷达和卫星之间的信号传输要经过电离层,而这里受地磁场的影响非常大。

图片来源:https://skill-lync.com/blogs/what-is-satellite-communication-and-how-does-it-work

地磁场对太阳风高能粒子具有屏蔽作用,使这些粒子不能直接进入地球大气层。这种屏蔽作用使得只有极少部分高能粒子能够进入大气层,并在那里与大气层的气体分子发生相互作用,产生极光。极光的形成与磁场线的位置有关。带电粒子在地球磁场中运动时,沿着磁场线进入大气层,与大气中的气体分子发生碰撞,激发原子和分子的电子,产生光芒。不同的气体和分子在激发和复合的过程中发出不同颜色的光谱特征,形成了各色的极光。


图13 高能粒子沿极区的磁场线进入,形成了环形的极光卵

图片来源:https://www.swpc.noaa.gov/content/aurora-tutorial

地球磁场并非静态不变的,它在地质时间尺度上会发生变化。地球磁极位置会随时间漂移,而且磁场的强度和结构也会发生变化。这种变化可能是由地球内部的物质运动、地壳运动以及其他未知因素引起的。

地球磁场对地球上的生命和自然现象有着多

四、地球磁场的变化


地球磁场对地球上的生命和自然现象有着多方面的影响

地球磁场并非静态不变的,它在地质时间尺度上会发生变化。地球磁极位置会随时间漂移,而且磁场的强度和结构也会发生变化。这种变化可能是由地球内部的物质运动、地壳运动以及其他未知因素引起的。


图14 数百年来磁极一直处在不断移动的过程中。其中红点为地球主磁场磁轴的极点,黑点为地球总磁场的磁极。(William et al., 2016)

科学家通过地磁观测站、卫星磁力计等手段对地球磁场进行定期监测,以了解其变化规律。这种研究有助于深入了解地球内部的物质运动机制,对地球演化和动力学过程提供重要线索。

地磁场的磁极在漫长的历史中经常发生倒转,磁极的移动速度,倒转的时间间隔都是不均匀的。在对发电机过程的模拟研究中,倒转常常自发地在液态外核的对流中出现。例如,加州大学洛杉矶分校的Gary Glatzmaier和合作者Paul Roberts运行了一个地球内部运动的数值模型。他们通过模拟验证了液态外核的确可以自发地发生倒转。

另一些科学家认为地磁倒转不是自发的过程,而是由直接破坏地核流动的外部事件引发的。包括撞击事件或来自地球内部的影响,如大陆板块在俯冲带的作用下进入地幔,然而这一假说仍缺少证据证实。

太阳风对地磁场有压缩的作用,太阳活动的强弱波动会导致地磁场形态的强烈变化。


图15 地磁场被压缩,地磁场朝向太阳的一侧(日侧)被太阳风压缩,背对太阳,处于黑夜中的一侧(夜侧)的地磁场线被太阳风拉伸。形成地磁场形态的极不对称的结构。

图片来源:BBC Science Focus


五、结语

某种程度上来说,我们一直生活在穹顶之下,这个穹顶就是由地磁场所创造的。因为它的存在,地球才有了孕育生命和文明的可能。它保护着这个星球上一切我们所热爱的东西。

美编:林洁

校对:李玉钤 伍姝雨

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