地磁：对抗太阳风的精妙设计

都知道，地球上天然具有磁场。

一般认为，地球的磁场源于地球内部液态铁镍的流动导致的电流、地球自转以及热化学对流等因素的贡献，具体机制较为复杂，此处不表。

地球磁场的起因

地球的磁场随远离地心而减小，地面处的磁场只有地球外核处的大约1/50，处于地表之外的磁场空间也被叫做磁层（Magnetosphere），它包含大气电离层，并向太空延伸数十万公里。

磁层——地球外部的磁场空间

地球的磁场类似于一根条形磁铁的磁场。这根巨大的条形磁铁与地球自转轴成11.5°夹角。它的N极在地球的南极附近，而S极在地球的北极附近。具体的地点分别位于南纬64.13°, 东经135.88°处和北纬86.50°，东经175.40°处。

不过，地磁的两极一直在缓慢地移动，由于这种移动非常慢，所以对导航影响不大。但研究表明，每隔数十万年左右， 地球磁场 会反转，磁极会在一瞬间互换位置。磁极反转会在石中留下的痕迹，因而得以被人类了解。

我们知道，条形磁铁内部，磁力线是从S极指向N极的，但外面是从N极指向S极的，每条磁力线都是一条闭合曲线。如下图就是一根条形磁铁的磁场的磁力线分布的样子。

条形磁铁的磁场

据此，你可以想象，地球的磁场差不多长下面这样。是的，你没看错，S极在地球的北极附近，而N极在地球的南极附近。

地球磁场的磁偶极子模型

很多人把地磁场S极和N极搞反了，原因是地理和物理中，磁极的命名刚好相反。地理中说的地磁南极其实是物理上的地磁N极，而地磁北极其实是物理上的地磁S极。

在电磁学中，条形磁铁的简化模型叫磁偶极子（magnetic dipole）。这种模型的磁场分布所满足的特点是：磁场两头大，中间小，且两头的磁感应强度B是中间的的两倍。

而按照测量，地球表面的磁场，除了一些特殊位置之外，基本满足磁偶极子的磁场分布规律。具体数量如下（单位：μT）：

位置

磁场强度范围

典型值

磁极区域

60~65

63

赤道区域

25~30

30

中纬度区域

40~50

45

微特斯拉（μT）这个单位是一个很小的单位，它是毫特斯拉的千分之一。例如冰箱贴约5mT，算下来是地磁场的100倍左右，而钕磁铁可达1.4T，磁悬浮列车需要5T以上磁感应强度。

这足以说明地表的地球的磁场是很弱的。这么弱的磁场，它对于我们的世界有什么用吗？

作用可大了！如果说它就像地球的皮，那么地表大气和生物圈就像地球的毛，你说它的作用大不大！

太阳虽然离地球这么远，但它内部的疯狂的热核反应，导致太阳表面（也叫日冕）不断向外抛射的高温物质，即日冕物质抛射（CME），抛出的物质是高温等离子体，主要由动能介于0.5和10keV的电子和质子组成。

日冕物质抛射

在太阳活动极大期附近，太阳每天会产生大约三次日冕物质抛射，而在太阳活动极小期附近，每五天就会发生一次日冕物质抛射。

日冕物质抛射到太空中就形成所谓太阳风（solar wind），即高速带电粒子流。它们移动的速度约为200至1000公里每秒。它们携带着磁场，即行星际磁场（IMF）。

除了太阳风，还有宇宙射线（cosmic ray），它是来自银河系及河外星系的高能带电粒子，它们以接近光速的速度运动，成分主要是质子和原子核。

宇宙射线

如果没有地球的磁场的保护作用，太阳风和宇宙射线早就将地球表面大气剥离，地球就会像一丝不挂的火星那样，变成一个万籁俱寂的不毛之地。

没有磁场的保护下的太阳风

这个剥离大气层的力源于多方面。

一方面，由于地球大气的电离层本身就是被部分电离的大气，所以含有等离子体，带电粒子流吹来，就会给电离层施加推力作用。

另一方面，高能带电粒子直接撞击大气分子，通过弹性/非弹性碰撞传递动能，使其速度超过地球的逃逸速度，从而逃离大气层。

还有就是，大气与太阳风通过电荷交换，生成高能中性原子（ENA）和低能离子后逃逸。

另外，通过所谓磁重联驱动逃逸，即行星际磁场与行星磁场重联，通过洛伦兹力将大气离子加速甩出。

总之，如果没有磁场的保护，在太阳风和宇宙射线的这几个组合拳的一顿操作之下，地球的华丽外衣将被彻底剥去，地球生物圈将彻底死亡，只剩下沟壑纵横的黑暗大陆。

但有了地球磁场，这些事情就会被有效地避免了，美丽的地球家园得以延续。

地球磁场保护下的太阳风

那么，地球的磁场是如何保护地球免受的这些带电粒子的暴击呢？

按中学物理知识，带电粒子在磁场作用下，沿着磁力线做匀速运动，垂直于磁力线做圆周运动。按这样的机制，带电粒子顶多拐个弯，但还是会撞上大气的啊！

不不不！中学物理只考虑均匀磁场中带电粒子的运动，而地球的磁场是非均匀的！在这种非均匀磁场中，带电粒子会沿着磁力线加速运动。

是不是觉得有点难以理解？没关系，只需3个公式，你就能懂这背后的物理机制。

等离子体物理学中有一条重要的守恒律——等离子体物质在非均匀磁场中运动时，带电粒子的磁矩守恒，即

另一方面，由于洛伦兹力不做功，带电粒子的能量守恒，故

联立上两式得

可见，当磁场减小时，带电粒子沿磁力线运动越快。当磁场沿某个方向逐渐减小到0时，粒子会加速沿磁力线运动。

前面提到，除了少数异常位置，地球的磁场的结构总体上是磁偶极子的磁场模式。但受到太阳风的影响，磁层不再对称——朝着太阳的一面，它的宽度大约10个地球半径；而在背离太阳的另一面，是延伸超过200个地球半径的所谓“磁尾”区域。

太阳风作用下的地球磁层

当带电粒子进入地球磁层时，由于两极磁场强，中间磁场弱，带电粒子会在两极之间做回旋运动——一边转圈一边往前走。根据磁矩守恒的规律，带电粒子越靠近两极时，平行于磁力线的速度降低，而越靠近赤道区域，平行于磁力线方向的速度达到最大。

这导致带电粒子可能在两极之间来回运动。两极就像两个反射镜一样，所以也叫磁镜。

磁镜原理图

太阳风中能量较高（>100 keV）的粒子在这样一个巨型磁镜中做回旋运动时，它们被约束在在一个叫范艾伦辐射带（Van Allen radiation belt）的双环状区域中，如下图所示，它有内外两个环，在两个环之间形成一个没有辐射的“安全区”。范艾伦带属于离地球表面安全距离的范围，从而避免了太阳风直接冲击地球表面。

范艾伦辐射带

同时，在两个极区，磁力线从两极处向外延伸，形成所谓开放磁力线。这种磁场随着远离地球而不断减弱。当太阳风中中等能量的粒子（1~100keV）被引到极区后，根据前面提到的磁矩守恒的规律，带电粒子将会沿着开放磁力线加速运动而逃离地球。通过这种泄洪的方式，大约70%的太阳风入侵粒子被送往外太空。

地球上靠近两极的地方，人们经常可以看到一种叫极光（Aurora）的天文现象，它就是由太阳风进入地球磁层后，沿磁力线被引导至磁极区，与高层大气（电离层）中的原子和分子碰撞，激发它们发光而产生的现象。

美丽的极光

如果太阳风较弱，磁层就会膨胀，而若太阳风较强，则会压缩磁层，这会导致更多的太阳风进入磁层。当日冕物质抛射引发强烈的太阳风抵达地球上空时，就会发生特别强烈的活动，称为地磁风暴（geomagnetic storm）。

1859年的地磁爆模拟图

地磁风暴会造成很大的破坏，例如2003年的“万圣节”风暴损坏了美国宇航局超过三分之一的卫星。有记录以来最大的风暴是卡灵顿事件，发生在 1859 年。它产生的电流强大到足以扰乱电报线路，远至夏威夷南部都报告都出现了极光。

作为生活在地球家园的生物，我们和我们的世界都被这个隐形防护罩保护得好好的，来自外太空的剑雨碰到它，只能是鸭背上的水——白费劲！当我们仰望星空时，不得不由衷地赞叹伟大地造物主这极致美妙设计。

参考文献

https://science.nasa.gov/science-research/earth-science/earths-magnetosphere-protecting-our-planet-from-harmful-space-energy/
https://en.wikipedia.org/wiki/Van_Allen_radiation_belt
https://en.wikipedia.org/wiki/Earth%27s_magnetic_field
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2013/04/aa20965-12/aa20965-12.html

本文转载自《物含妙理》微信公众号

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