是誰(shuí)在保護(hù)地球大氣，使之不被太陽(yáng)風(fēng)剝蝕殆盡

許多科幻作品都曾暢想過(guò)人類未來(lái)如何改造火星環(huán)境以讓其更適宜人類居住。其核心理念在于使火星大氣更為濃密，增加其中的氧氣含量。

盡管改造火星的具體實(shí)施方案五花八門，但都離不開在火星的表面釋放二氧化碳。這一操作不僅能夠提升火星的大氣壓力，同時(shí)通過(guò)溫室效應(yīng)提高表面溫度，使水能夠以液態(tài)存在，從而創(chuàng)造適宜來(lái)自地球的生物繁衍的環(huán)境。通過(guò)光合作用逐漸增加大氣中的氧氣含量，最終使得火星成為適宜動(dòng)植物或人類呼吸的環(huán)境。馬斯克提出的“核爆”火星計(jì)劃的目標(biāo)是通過(guò)核爆炸使火星極地冰帽蒸發(fā)。他認(rèn)為，這將使火星變得足夠溫暖，從而為人類殖民者提供相對(duì)宜居的生存條件。

圖1 人們構(gòu)想中改造后的火星擁有和地球相似的海洋和溫暖濕潤(rùn)的環(huán)境。

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然而，這些方法都避免不了要面對(duì)火星的一個(gè)先天不足——沒有全球性磁場(chǎng)。大家一定會(huì)好奇的一個(gè)事實(shí)是，相比于太陽(yáng)系其他行星來(lái)說(shuō)，火星和地球大小重量相似，距太陽(yáng)的距離也相近，為何地球生機(jī)勃勃，火星卻是一片不毛？最重要的原因就是地球自身具有強(qiáng)大磁場(chǎng)，可以籍此和太陽(yáng)風(fēng)進(jìn)行對(duì)抗，從而很好地保護(hù)自己。地磁場(chǎng)就是我們今天的主角。

圖2 火星磁場(chǎng)不像地球磁場(chǎng)那般強(qiáng)大，可以抵御太陽(yáng)風(fēng)。

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地球磁場(chǎng)是一個(gè)龐大而復(fù)雜的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，它是地球生命的強(qiáng)大守護(hù)者。

圖3 計(jì)算機(jī)模擬的地球磁場(chǎng)。這些線代表磁場(chǎng)線，藍(lán)色表示磁場(chǎng)指向中心，黃色表示遠(yuǎn)離中心。密集線束位于地球內(nèi)部。

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一、地球磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)特征

地球磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)主要包括內(nèi)源場(chǎng)和外源場(chǎng)兩部分。內(nèi)源場(chǎng)顧名思義來(lái)自地球內(nèi)部物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)，包括地核場(chǎng)（主磁場(chǎng)）、地殼場(chǎng)、感應(yīng)場(chǎng)，外源場(chǎng)則起源于地表以上的空間電流體系，即電離層和磁層以及地球以外的行星際空間電流引起的磁場(chǎng)。

主磁場(chǎng)是地球磁場(chǎng)的主導(dǎo)成分，它在地球表面的分布呈現(xiàn)出近似于一個(gè)巨大的磁偶極體的形狀。主磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向不僅在空間上存在差異，而且隨著時(shí)間的推移也會(huì)發(fā)生變化。

圖4 地球偶極磁場(chǎng)，可以視為一塊巨大的磁鐵

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地殼磁場(chǎng)是由地球表面的巖石和礦物所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，這些巖石和礦物中的磁性物質(zhì)會(huì)對(duì)地球磁場(chǎng)產(chǎn)生局部的影響。地殼磁場(chǎng)的強(qiáng)度分布在地球表面上并呈現(xiàn)出極大的不均勻性，也稱為磁異常。

圖5 在海拔400km處計(jì)算的地殼磁場(chǎng)。

(Purucker et al., 2002)

地球磁場(chǎng)中還包括一些局部的磁異常，這通常是由于地球內(nèi)部的地質(zhì)活動(dòng)（例如外核不均勻冷卻釋放能量）造成擾動(dòng)，或其他特殊條件所引起的。其中最著名的就是南大西洋異常區(qū)，即南美洲和南大西洋的多年來(lái)磁場(chǎng)強(qiáng)度持續(xù)減弱的大片區(qū)域。時(shí)至今日，該區(qū)域仍在不斷擴(kuò)大并向西南方向移動(dòng)。

圖6 顏色代表磁場(chǎng)強(qiáng)度。地磁場(chǎng)的南大西洋異常區(qū)，磁場(chǎng)強(qiáng)度在這一區(qū)域明顯小于其他地區(qū)，原因仍然不明確。

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其可能源于地球磁極倒轉(zhuǎn)期間的磁場(chǎng)擾動(dòng)，地磁倒轉(zhuǎn)期間,磁場(chǎng)不穩(wěn)定，可能同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)磁極。也有人認(rèn)為其可能是由地球內(nèi)部一個(gè)巨大的致密磁性巖石儲(chǔ)層引起的，這個(gè)儲(chǔ)層稱為“非洲大型低剪切波速體”，其成因近期被認(rèn)為與原始地球和“忒伊亞”星的大碰撞有關(guān)。但具體原因至今仍未確定。

外源場(chǎng)即來(lái)自于地球外部的影響。比如來(lái)自太陽(yáng)耀斑期間沖擊地球的磁云，會(huì)和外圍的地磁場(chǎng)發(fā)生耦合，產(chǎn)生磁重聯(lián)的現(xiàn)象。

圖7 日冕拋射出的帶電粒子團(tuán)向地球而來(lái)，沖擊地球磁場(chǎng)。

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二、地球磁場(chǎng)的形成機(jī)制

地球主磁場(chǎng)是如何形成的，是一個(gè)諾獎(jiǎng)級(jí)的難題，這與地球內(nèi)部的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。關(guān)于地磁場(chǎng)的形成，曾存在眾多的早期理論如旋轉(zhuǎn)電荷理論（地表分布著靜電荷，隨地球旋轉(zhuǎn)形成電流，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)。然而地球上的電荷總量遠(yuǎn)不足以產(chǎn)生如此強(qiáng)的磁場(chǎng)）、永久磁化理論（即地球是一塊巨大的磁鐵。但當(dāng)?shù)厍蚓鶆虼呕良s80A/m，才能產(chǎn)生觀測(cè)到的磁場(chǎng)，這幾乎是天然巖石磁化強(qiáng)度的上限，地球不可能完全由這樣的物質(zhì)組成）等，這些理論都嚴(yán)重缺少合理性，因此如今都已鮮有人提及。

目前主流的是地磁場(chǎng)發(fā)電機(jī)理論，地球內(nèi)部包括固態(tài)的地殼、上下地幔、流動(dòng)的外核和固態(tài)的內(nèi)核。其中，外核主要由液態(tài)的鐵合金組成，而內(nèi)核主要是由固態(tài)鐵合金構(gòu)成。

圖8 發(fā)電機(jī)效應(yīng)圖，外核中的帶電成分隨地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)切割磁場(chǎng)線。

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鐵是具有磁性的元素，可以視為一種導(dǎo)體，而流動(dòng)的外核在地球自轉(zhuǎn)的作用下，切割地磁場(chǎng)的磁場(chǎng)線，形成了電流（法拉第電磁感應(yīng)定律），而我們知道變化的電流可以產(chǎn)生磁場(chǎng)（安培環(huán)路定律），由此形成一個(gè)自激發(fā)的閉環(huán)。然而這就形成了一個(gè)磁場(chǎng)切割磁場(chǎng)線進(jìn)而產(chǎn)生磁場(chǎng)的永動(dòng)機(jī)問題，因此還需要更多探究。

圖9 外核切割地磁場(chǎng)線的過(guò)程和我們所熟知的通電線圈在變化磁場(chǎng)中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的變化相似

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三、地球磁場(chǎng)的作用

地球磁場(chǎng)對(duì)地球上的生命和自然現(xiàn)象有著多方面的影響，其中一些影響至今仍然是科學(xué)研究的熱點(diǎn)。

地球磁場(chǎng)對(duì)地球上的生物最大的作用莫過(guò)于保護(hù)作用。磁場(chǎng)可以阻擋太陽(yáng)風(fēng)帶來(lái)的宇宙射線，減輕地球表面的輻射強(qiáng)度，從而保護(hù)地球上的生物免受輻射的危害。同時(shí)也有效地減輕了太陽(yáng)風(fēng)對(duì)地球大氣的剝蝕作用。如果失去強(qiáng)大的地磁場(chǎng)，地球則可能向火星的方向發(fā)展，只剩下地殼剩磁，無(wú)法抵御太陽(yáng)風(fēng)的沖擊，大氣被剝蝕殆盡。

地球磁場(chǎng)對(duì)地球上的生命和自然現(xiàn)象有著多方面的影響，其中一些影響至今仍然是科學(xué)研究的熱點(diǎn)。

地球磁場(chǎng)對(duì)地球上的生物最大的作用莫過(guò)于保護(hù)作用。磁場(chǎng)可以阻擋太陽(yáng)風(fēng)帶來(lái)的宇宙射線，減輕地球表面的輻射強(qiáng)度，從而保護(hù)地球上的生物免受輻射的危害。同時(shí)也有效地減輕了太陽(yáng)風(fēng)對(duì)地球大氣的剝蝕作用。如果失去強(qiáng)大的地磁場(chǎng)，地球則可能向火星的方向發(fā)展，只剩下地殼剩磁，無(wú)法抵御太陽(yáng)風(fēng)的沖擊，大氣被剝蝕殆盡。

圖10 主磁場(chǎng)的損失使火星失去了適宜生命生存的條件，造就了其與地球截然不同的景象

圖片來(lái)源：https://suindependent.com/life-earth-mars-going/

地球磁場(chǎng)在導(dǎo)航和定位系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。許多動(dòng)物利用地球磁場(chǎng)進(jìn)行導(dǎo)航，而人類則通過(guò)磁羅盤等工具來(lái)確定方向。

圖11 磁導(dǎo)航至今仍然是計(jì)算航向的重要工具

圖片來(lái)源：https://maritronics.com/magic-compass-maritime/

地球磁場(chǎng)與太陽(yáng)風(fēng)相互作用，深刻影響了地球的電離層。這給無(wú)線通信和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等技術(shù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。太陽(yáng)風(fēng)及其引起的磁暴會(huì)造成電離層的強(qiáng)烈擾動(dòng)。盡管地磁場(chǎng)在強(qiáng)磁擾時(shí)一般也只有幾千納特斯拉的強(qiáng)度，但已足以調(diào)動(dòng)帶電的粒子形成濃密的等離子體云塊，在干擾衛(wèi)星和地面之間信號(hào)傳輸?shù)耐瑫r(shí)還會(huì)改變衛(wèi)星周圍的電磁環(huán)境，從而可能損壞其內(nèi)部的儀器。因此地球磁場(chǎng)的研究對(duì)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展具有指導(dǎo)意義。

圖12 雷達(dá)和衛(wèi)星之間的信號(hào)傳輸要經(jīng)過(guò)電離層，而這里受地磁場(chǎng)的影響非常大。

圖片來(lái)源：https://skill-lync.com/blogs/what-is-satellite-communication-and-how-does-it-work

地磁場(chǎng)對(duì)太陽(yáng)風(fēng)高能粒子具有屏蔽作用，使這些粒子不能直接進(jìn)入地球大氣層。這種屏蔽作用使得只有極少部分高能粒子能夠進(jìn)入大氣層，并在那里與大氣層的氣體分子發(fā)生相互作用，產(chǎn)生極光。極光的形成與磁場(chǎng)線的位置有關(guān)。帶電粒子在地球磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，沿著磁場(chǎng)線進(jìn)入大氣層，與大氣中的氣體分子發(fā)生碰撞，激發(fā)原子和分子的電子，產(chǎn)生光芒。不同的氣體和分子在激發(fā)和復(fù)合的過(guò)程中發(fā)出不同顏色的光譜特征，形成了各色的極光。

圖13 高能粒子沿極區(qū)的磁場(chǎng)線進(jìn)入，形成了環(huán)形的極光卵

圖片來(lái)源：https://www.swpc.noaa.gov/content/aurora-tutorial

地球磁場(chǎng)并非靜態(tài)不變的，它在地質(zhì)時(shí)間尺度上會(huì)發(fā)生變化。地球磁極位置會(huì)隨時(shí)間漂移，而且磁場(chǎng)的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化。這種變化可能是由地球內(nèi)部的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、地殼運(yùn)動(dòng)以及其他未知因素引起的。

地球磁場(chǎng)對(duì)地球上的生命和自然現(xiàn)象有著多

四、地球磁場(chǎng)的變化

地球磁場(chǎng)對(duì)地球上的生命和自然現(xiàn)象有著多方面的影響

地球磁場(chǎng)并非靜態(tài)不變的，它在地質(zhì)時(shí)間尺度上會(huì)發(fā)生變化。地球磁極位置會(huì)隨時(shí)間漂移，而且磁場(chǎng)的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化。這種變化可能是由地球內(nèi)部的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、地殼運(yùn)動(dòng)以及其他未知因素引起的。

圖14 數(shù)百年來(lái)磁極一直處在不斷移動(dòng)的過(guò)程中。其中紅點(diǎn)為地球主磁場(chǎng)磁軸的極點(diǎn)，黑點(diǎn)為地球總磁場(chǎng)的磁極。(William et al., 2016)

科學(xué)家通過(guò)地磁觀測(cè)站、衛(wèi)星磁力計(jì)等手段對(duì)地球磁場(chǎng)進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，以了解其變化規(guī)律。這種研究有助于深入了解地球內(nèi)部的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)機(jī)制，對(duì)地球演化和動(dòng)力學(xué)過(guò)程提供重要線索。

地磁場(chǎng)的磁極在漫長(zhǎng)的歷史中經(jīng)常發(fā)生倒轉(zhuǎn)，磁極的移動(dòng)速度，倒轉(zhuǎn)的時(shí)間間隔都是不均勻的。在對(duì)發(fā)電機(jī)過(guò)程的模擬研究中，倒轉(zhuǎn)常常自發(fā)地在液態(tài)外核的對(duì)流中出現(xiàn)。例如，加州大學(xué)洛杉磯分校的Gary Glatzmaier和合作者Paul Roberts運(yùn)行了一個(gè)地球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模型。他們通過(guò)模擬驗(yàn)證了液態(tài)外核的確可以自發(fā)地發(fā)生倒轉(zhuǎn)。

另一些科學(xué)家認(rèn)為地磁倒轉(zhuǎn)不是自發(fā)的過(guò)程，而是由直接破壞地核流動(dòng)的外部事件引發(fā)的。包括撞擊事件或來(lái)自地球內(nèi)部的影響，如大陸板塊在俯沖帶的作用下進(jìn)入地幔，然而這一假說(shuō)仍缺少證據(jù)證實(shí)。

太陽(yáng)風(fēng)對(duì)地磁場(chǎng)有壓縮的作用，太陽(yáng)活動(dòng)的強(qiáng)弱波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致地磁場(chǎng)形態(tài)的強(qiáng)烈變化。

圖15 地磁場(chǎng)被壓縮，地磁場(chǎng)朝向太陽(yáng)的一側(cè)（日側(cè)）被太陽(yáng)風(fēng)壓縮，背對(duì)太陽(yáng)，處于黑夜中的一側(cè)（夜側(cè)）的地磁場(chǎng)線被太陽(yáng)風(fēng)拉伸。形成地磁場(chǎng)形態(tài)的極不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。

圖片來(lái)源：BBC Science Focus

五、結(jié)語(yǔ)

某種程度上來(lái)說(shuō)，我們一直生活在穹頂之下，這個(gè)穹頂就是由地磁場(chǎng)所創(chuàng)造的。因?yàn)樗拇嬖冢厍虿庞辛嗽杏臀拿鞯目赡?。它保護(hù)著這個(gè)星球上一切我們所熱愛的東西。

美編：林潔

校對(duì)：李玉鈐 伍姝雨