地球磁場就像洋蔥？一文了解地球磁層的三層結(jié)構(gòu)

你抬頭，看見信鴿成群從天空飛過，沒有指向標(biāo)的他們怎么認(rèn)識來去的路？你低頭，看見指南針指示著南北，精確的方向標(biāo)識能力是如何形成的？太陽給大地帶來光明，但僅僅只有這可見的光在影響著地球么？地球的表面上磁場充斥在你踏過的每一寸土地，仰望的每一片星空，你的日常受他支配受他庇佑。但這強大且無形的地球磁場還要受著太陽這個太陽系霸主的影響！多么神奇和驚人?。∽屛覀円黄饋砹私庀驴床灰姷牡厍虼艌?。

磁場的發(fā)現(xiàn)史

人類發(fā)現(xiàn)磁場的歷史可以追溯到古代。早在公元前600年左右，古希臘人就注意到某些鐵石會被磁化吸引鐵等物體，這是磁場的早期發(fā)現(xiàn)。古希臘哲學(xué)家托彌勒（Ptolemy）在他的著作《大阿爾克顯微鏡》中也描述了磁石的性質(zhì)。到了歐洲中世紀(jì)時期，人們開始使用磁石制作指南針用于導(dǎo)航。在16世紀(jì)，英國科學(xué)家威廉·吉爾伯特（WilliamGilbert）對磁鐵進行了系統(tǒng)的研究，并在他的著作《磁石，磁體和地球的磁性》中詳細描述了磁性的性質(zhì)和現(xiàn)象。

隨著人類對地球形狀建立起更完善的認(rèn)知，對地球的磁場研究和探索也開始逐漸深入。19世紀(jì)40年代，德國物理學(xué)家卡爾·弗里德里?！じ咚梗–arl Friedrich Gauss）和威廉·韋伯（Wilhelm Eduard Weber）開始對地球磁場進行測量，并發(fā)現(xiàn)了磁場的強度隨著地理位置的變化而變化。他們還建立了一些磁場觀測站來進行長期的觀測和記錄。人類進步的第一驅(qū)動力——好奇心，驅(qū)使著我們發(fā)現(xiàn)了種種磁場現(xiàn)象，并且開始苦苦探索原由。19世紀(jì)60年代，英國物理學(xué)家約翰·科克羅夫特（John Scott Russell）和詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）提出了地球內(nèi)部存在一種液態(tài)導(dǎo)體，可以產(chǎn)生地球磁場的理論，并預(yù)測了磁場的變化和磁極的移動。

在20世紀(jì)初，德國物理學(xué)家克里斯蒂安·布爾拉赫（Christophorus Buys Ballot）首次提出了地球磁場與日冕物質(zhì)（日冕是太陽大氣層的一個結(jié)構(gòu)，日冕物質(zhì)就是太陽大氣中的成分物質(zhì)）的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)了磁暴的周期性變化。20世紀(jì)30年代，美國地球物理學(xué)家理查德·范德格拉夫（Richard Van Der Groot）和理查德·托蘭德（Richard Thurlow）開始在南極建立磁場觀測站，并得到了地球磁場在高緯度地區(qū)的更準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

今天，地球磁場的測量和研究仍在繼續(xù)，并且磁場觀測站已經(jīng)遍布全球，攜帶相關(guān)儀器的衛(wèi)星也在地球附近的各個軌道檢測，遮羞手段都成為了研究地球磁場和空間天氣的重要工具。

地球磁層磁場的結(jié)構(gòu)

經(jīng)過長期的觀測研究，我們已經(jīng)了解到，地球磁層是由地球內(nèi)部的液態(tài)外核中的運動電荷所產(chǎn)生的磁場和地球周圍的太陽風(fēng)等帶電粒子相互作用所形成的。這些冰冷的文字十分的晦澀難懂，你不妨拿一顆生雞蛋，輕輕的敲碎，假設(shè)讓蛋清和蛋黃流進一個剛好可以裝滿的玻璃球里，注意！一定不要弄破蛋黃哦！現(xiàn)在你就開動自己豐富的想象力，想象這蛋黃就是地球，核心有鐵和鎳，所以周圍包裹的蛋清液體就好像是這個內(nèi)核產(chǎn)生的磁場，盡職盡責(zé)的包裹這顆蛋黃地球。然后接著想象裝著雞蛋的玻璃球消失了，只剩下里面的雞蛋還在，而且依舊保持這剛才的狀態(tài)，然后你拿起手邊的吹風(fēng)機，輕輕的吹動，蛋清被吹的向相反方向在蛋黃背著吹風(fēng)機的一面形成了小圓柱，而正對著吹風(fēng)機一側(cè)則形成了一個子彈頭的形狀。哦！你明白了么？這個吹風(fēng)機吹出的風(fēng)就可以類比作太陽風(fēng)（但是吹風(fēng)機吹出的風(fēng)和太陽風(fēng)的成分可是區(qū)別很大哦，太陽風(fēng)中也有來自太陽的磁力線，這些磁力線可以和地球磁層的磁力線相互作用，讓地球磁層的磁力線被拉伸或者壓縮），而蛋清就是地球的磁層，他的形狀受到了太陽風(fēng)的影響！當(dāng)然這個類比并不完全準(zhǔn)確，但是卻可以讓你先對地球磁場的形狀有一個大致的想象。

地球磁層可以延伸到地球空間中，受太陽風(fēng)的作用，地球磁場又被限定在特定的區(qū)域中，該區(qū)域被稱之為磁層。太陽風(fēng)使向陽側(cè)的磁層被擠壓成鈍形的子彈頭形狀（磁鼻），而將夜側(cè)的磁層拉伸成一個長的圓柱形（磁尾）。

地球磁場的磁力線有閉合的也有開放的。閉合的磁力線指的是從地球的地面延申出來最終又回到地球表面，而開放的磁力線指的則是從地球表面出發(fā)然后延申到行星際空間中。如果用磁力線來描述地球的磁層結(jié)構(gòu)形狀那么可以看到地球外部的磁場形態(tài)大致有三種結(jié)構(gòu)。

第一種叫內(nèi)磁層，地球內(nèi)部的核心由熔融的鐵和鎳組成，鐵鎳物質(zhì)的運動產(chǎn)生了一個大約相當(dāng)于地球半徑的磁場，這個磁場是地球總磁場的主要來源，被認(rèn)為是穩(wěn)定的。他們產(chǎn)生的磁力線是偶極磁力線，與地球表面有兩個交點，這些磁力線所在的區(qū)域被稱為是內(nèi)磁場。

第二種結(jié)構(gòu)是那些開放的磁力線所在的區(qū)域?qū)?yīng)的部分，這些區(qū)域?qū)?yīng)于外磁層或者遠磁層。

而第三種結(jié)構(gòu)是在內(nèi)外磁層中間。這部分區(qū)域廣闊并且多變，其磁力線是閉合的，被劇烈拉伸。許許多多有趣的空間天氣動力學(xué)過程都發(fā)生在中磁層區(qū)域。

如果我們把地球以及地球的磁層想象成一個飽滿的洋蔥，一層一層的撥開他的心，每層地磁結(jié)構(gòu)就可以清晰的展現(xiàn)在你的眼前。當(dāng)來自太陽的太陽風(fēng)吹來，將這顆地球磁層洋蔥擠壓成為一個有著圓柱形尾部結(jié)構(gòu)的類似錐形洋蔥球，然后這雙太陽風(fēng)無形手剝離著與其接觸的地球外磁層磁力線，這一片又一片的洋蔥瓣一樣的磁力線向著地球夜側(cè)的遠處延申。靠近地球內(nèi)部的磁力線在日側(cè)被壓縮，在夜側(cè)被拉伸擠壓。這便是中，內(nèi)磁層。

磁層的詳細結(jié)構(gòu)肯定不止止于這粗略的三大類分類，就好比你身體里的每一個器官下都還會有精細的結(jié)構(gòu)和組織。隨著知識的積累和對科學(xué)的理解，這些太空中的秘密終將會在你的腦海中浮現(xiàn)。

內(nèi)磁層

我們用閉合的偶極磁力線覆蓋的區(qū)域標(biāo)定為內(nèi)磁層，那么內(nèi)磁層里到底有什么呢？在人類的飛天之旅中，各個國家的科學(xué)家們或偶然或必然地收獲了各種各樣需要的知識，其中很重要的一點就是發(fā)現(xiàn)了在天空中的等離子體。等離子體作為物質(zhì)的第四態(tài)一直是個抽象的概念，但其實他們藏身于街道路旁五彩繽紛的霓虹燈里，委身于科學(xué)實驗室高高低低電壓的實驗儀器中。你不妨把他們想成一團被電離的氣體，正負(fù)電荷分開但又沒有完全分開，在洛倫茲力和庫侖力的作用下相互糾纏行成了一團剪不斷理還亂的組織，所以科學(xué)家們總是用一團作為單位來研究他們，當(dāng)然有時也會很細致的一顆一顆的來探索。

內(nèi)磁層中磁力線是閉合的，包含兩種完全不同的等離子。所以區(qū)分為等離子體層和輻射帶。這兩個區(qū)域是交疊在一起的。等離子體層的等離子體是溫度較低的冷等離子體，通常用溫度和數(shù)密度來描述表示。另一個輻射帶區(qū)域的等離子體是溫度較高的等離子體，包含兩種非常稀薄的高能粒子，通常用能量和通量來描述。在平靜時期，他們基本不相互作用，保持良好的秩序，相安無事。

等離子體層（plasmasphere）是電離層（地球中高層大氣的結(jié)構(gòu)）向外的延伸，其外邊界通常在地球同步軌道附近。這種具有圓環(huán)形態(tài)的閉合磁力線區(qū)域包含了從地球電離層中逃逸出來的稠密、相對冷的、低能量的等離子體。我們將等離子體層視為一個獨立的實體，含有豐富的等離子體。名義上來講，電離層-等離子體層之間的邊界大約在1000km 高度處，雖然之間的過渡并不是很明顯。在地球的夜側(cè)，等離子層頂（plasmapause）將等離子體層和等離子體片分開。冷等離子體凍結(jié)在地球磁場中，并隨其一起旋轉(zhuǎn)。這意味著等離子體層以近似剛體運動的方式與地球一起共轉(zhuǎn)或漂移。等離子體層頂是共轉(zhuǎn)運動停止的邊界。

輻射帶占據(jù)了等離子體層的大部分區(qū)域。為什么還要使用一個不同的名稱呢？因為輻射帶粒子的能量很高，對探測器和當(dāng)?shù)丨h(huán)境有著非常不同的影響。我們于1958年認(rèn)識到這種現(xiàn)象。當(dāng)時美國第一顆人造衛(wèi)星Explorer1搭載的蓋革計數(shù)器探測到了輻射帶中MeV能量范圍的高能粒子。隨后的衛(wèi)星任務(wù)收集了大量的輻射帶粒子數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩個類似甜甜圈形狀的區(qū)域環(huán)繞著地球，里面存在著被束縛的電子和質(zhì)子。這些“帶”基本處于等離子體層中，并以范艾倫的名字命名，因為他第一個向公眾闡述了這些高能粒子的重要性。范艾倫輻射帶中的粒子通過多種物理過程被束縛在它們各自的區(qū)域里。

外磁層

那些開放的磁力線所在的區(qū)域?qū)?yīng)的部分我們定義為外磁層。外磁層的結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)呢S富，絢麗的極光和一些空間天氣現(xiàn)象也都會與之有關(guān)。

極隙區(qū)（polar cusps）將地球向陽一側(cè)的磁力線和被拉伸的磁尾磁力線分隔開來。極隙區(qū)處于高緯區(qū)域，在這里磁力線向外延伸、基本上與磁層頂相互垂直。極隙區(qū)的磁場非常微弱，對于太陽風(fēng)來講，極隙區(qū)并不是一個屏障，更像是一個漏斗狀通道。當(dāng)太陽風(fēng)進入極隙區(qū)之后，它們將沿著磁力線流向地球。通過極隙區(qū)，高速的帶電粒子將在中心磁緯度約75°狹窄區(qū)域中轟擊高層大氣。這些粒子同樣也可以與磁力線相互作用產(chǎn)生電磁波，并以熱能的形式耗散掉。極隙區(qū)充當(dāng)了一個局地粒子加速器的作用，為非常遠的區(qū)域提供高能粒子。許多粒子都是在極隙區(qū)這個狹窄的通道中獲得能量。一些粒子被加速之后，沿著碰力線逃逸，成為磁尾所存儲粒子的一部分。

在等離子體層和輻射帶以外是一個包含相對熱，稀薄等離子體的區(qū)域稱為等離子體片（plasmasheet）。等離子體片的厚度和數(shù)密度是變化的共存在太陽風(fēng)等離子體和地球等離子體。等離子體片連接著內(nèi)磁層區(qū)域和外磁層區(qū)域。這種連接在磁層能量重新分配過程中起到了重要的作用。在等離子片和磁尾尾瓣之間很薄的區(qū)域叫做等離子體片邊界層（plasmasheet boundary layer），是大多數(shù)極光事件的源。同步軌道衛(wèi)星有一部分時間在該區(qū)域中運行，暴露于熱等離子體中。這些熱等離子體可能附著于衛(wèi)星表面，也可能沉積到衛(wèi)星內(nèi)部。離子體片中有一個很薄的中性電流片將等離子體分開。中性電流片的名稱起源于其所處區(qū)域的磁場是“中性的”即該區(qū)域中南北半球磁場相互抵消。

等離子幔（plasmasheet mantle）：磁尾是與極隙區(qū)相連的尾部區(qū)域。與極隙區(qū)相比，磁尾的磁場更強，它像是一個屏障，部分阻擋了磁鞘中的太陽風(fēng)進入磁層。一些太陽風(fēng)粒子被磁尾邊界增強的地磁場所束縛，這些被束縛的等離子體所在區(qū)域即為等離子幔（plasmasheet mantle），其厚度約為幾千米。

尾瓣（lobes）：在南北半球等離子幔以內(nèi)是磁場尾瓣。在尾瓣磁力線上存在少量的等離子體，它們來源于電離層中逃逸出來的

低溫等常子體，尾瓣的磁力線發(fā)源于南北半球極區(qū)。在該區(qū)域中，磁場足夠強，能夠產(chǎn)生足夠的壓力以避免磁層自身塌陷。在尾瓣上半（北半球）部分，磁場的方向朝著地球，在尾瓣下半（南半球）部分，磁場的方向背向地球。只要太陽風(fēng)相對穩(wěn)定，尾瓣將處于平衡狀態(tài)。

關(guān)于磁場的介紹就到這里，但我們對地球與宇宙的探索還離尾聲很遠。正在閱讀本文的你從呱呱落地開始，便是生于地球這顆獨一無二的星球上的一個獨一無二的你。也許你曾在夜幕下抬起頭望著天聽《夜空中最亮的星》，也許你曾捧著《小王子》暢想宇宙那頭有顆長滿了猴子面包樹的星球，也許你在電影院里看著《流浪地球》淚流滿面，也許你從未失去對未知渴求的心……宇宙很大，未來很長，期待一起出發(fā)，探究地球磁層以及其他更多的寰宇奧秘。

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者：習(xí)心悅

審核：張玉修 中國科學(xué)院地球與行星科學(xué)學(xué)院 地質(zhì)學(xué)副教授

出品：中國科協(xié)科普部

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