□ 夏 寒

淺談地球和太陽(yáng)的磁場(chǎng)

□ 夏 寒

電荷周?chē)鷵碛须妶?chǎng)，磁鐵周?chē)鷵碛写艌?chǎng)。磁場(chǎng)和電場(chǎng)都是看不見(jiàn)、摸不著的東西。但是，在日常生活中體現(xiàn)它們存在的事物或現(xiàn)象卻隨處可見(jiàn)。在電場(chǎng)的作用下，導(dǎo)體中產(chǎn)生電流。電燈、電視機(jī)和洗衣機(jī)等等，所有電氣設(shè)備都必須在通電流的情況下才能工作。磁場(chǎng)現(xiàn)象相對(duì)少一些，但是，我們對(duì)磁鐵并不陌生。磁鐵可以吸引小鐵釘、鐵屑；要將兩個(gè)條形磁鐵的相同磁極靠在一起，需施加很大的力量。電場(chǎng)和磁場(chǎng)都是自然界的客觀存在。

如果將視線從日常生活轉(zhuǎn)向宇宙天體，比如，地球、太陽(yáng)，我們發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)仍然是一個(gè)重要角色。存在磁場(chǎng)是它們的共同屬性，磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致形形色色的天文現(xiàn)象，宇宙天體有許多磁場(chǎng)之謎有待科學(xué)家去揭示。

1 棒狀磁鐵般的地球磁場(chǎng)

指南針是旅游、野外工作、天文觀測(cè)及科學(xué)實(shí)驗(yàn)的常用小儀器。它的磁針之所以指向南北方向是受地球磁場(chǎng)的作用。很早之前，人類(lèi)就認(rèn)識(shí)到地球的磁場(chǎng)特性。只是到了近一兩百年，隨著科學(xué)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)地球磁場(chǎng)才有了深刻的了解。

從地球外部磁場(chǎng)的特征看，好像在地球內(nèi)部有一個(gè)巨大的棒狀磁鐵，棒狀磁鐵穿過(guò)地球中心、大體指向南北方向，與地球自轉(zhuǎn)軸的夾角約為11°?？梢?jiàn)，地球自轉(zhuǎn)形成的地理意義上的南北極與地球磁場(chǎng)的南北磁極并不重合。地球磁場(chǎng)的N極在地理南極附近，S極在地理北極附近。在地球外部，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)線從地理南極出發(fā)，經(jīng)過(guò)大半個(gè)圓環(huán)，落在地理北極。

地球?yàn)槭裁创嬖诖艌?chǎng)？

人類(lèi)很早就探討過(guò)這一問(wèn)題。在地球的中心是半徑約1200千米的固體地核，它之外約2200千米是液態(tài)的地核，液態(tài)地核的化學(xué)成分主要為鐵和其他金屬。地核之外是地幔。地核中心溫度高達(dá)6000k，而地幔的溫度約3800k，地球內(nèi)部熱量由地核中心向外傳播，在液態(tài)地核中形成對(duì)流流動(dòng)，再加上地球具有自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在液態(tài)地核中形成環(huán)形電流，從而產(chǎn)生地球外部的宏觀磁場(chǎng)。1995年美國(guó)科學(xué)家格拉茨梅爾（Glatzmaier）和羅伯茨（Roberts）利用物理方程較好地解決了地球磁場(chǎng)產(chǎn)生和維持的問(wèn)題，得到了同行的認(rèn)可，不過(guò)，他們并沒(méi)有解決地球磁場(chǎng)的所有問(wèn)題。關(guān)于地球磁場(chǎng)的起源仍然有待進(jìn)一步研究。

地球表面南北極地區(qū)，磁感應(yīng)強(qiáng)度約0.65高斯，在赤道地區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度只有0.2高斯。磁場(chǎng)不僅有大小，它也有方向。一般把地球磁場(chǎng)跟地理經(jīng)線（南北方向）的夾角稱為磁偏角，而它跟水平方向的夾角為磁傾角。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的觀測(cè)和測(cè)量，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)地球磁場(chǎng)的大小和方向不是恒定不變的，它們隨時(shí)間在不停地變化。引起地球磁場(chǎng)變化的原因來(lái)自地球內(nèi)部和地球外部?jī)蓚€(gè)方面。外部因素主要是太陽(yáng)活動(dòng)產(chǎn)生的帶電粒子和其他宇宙帶電粒子襲擊地球造成的。而內(nèi)部原因是地核中的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)變化。

地球磁場(chǎng)示意圖，地球磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸夾角為11.5度

2 形狀像彗星的地球磁層

地球磁場(chǎng)貫穿于地球內(nèi)部和地球外部。利用衛(wèi)星等空間探測(cè)設(shè)備，可以測(cè)量地球周?chē)臻g磁場(chǎng)的大小和方向。在地球外部，從地球表面到遙遠(yuǎn)太空都充斥著磁場(chǎng)，這一區(qū)域連同其中的磁場(chǎng)被稱為地球磁層。在太陽(yáng)高層大氣日冕中，溫度非常高，這里的帶電粒子動(dòng)能巨大，能夠克服引力并源源不斷地流向行星際空間。這種帶電粒子流就是太陽(yáng)風(fēng)。

在太陽(yáng)風(fēng)的作用下，地球磁層在地球周?chē)臻g呈不對(duì)稱分布。在面向太陽(yáng)的一側(cè)，磁層高度約為10個(gè)地球半徑；而在背向太陽(yáng)的一側(cè)，地球磁層可延伸到200個(gè)地球半徑的遙遠(yuǎn)空間。太陽(yáng)風(fēng)的存在，使得地球磁層形狀像一個(gè)拖著長(zhǎng)長(zhǎng)尾巴的彗星。

3 地球磁極可能會(huì)反轉(zhuǎn)

由于地球的地質(zhì)活動(dòng)，海洋洋底處在不斷的變化中，從而形成了不同地質(zhì)年代的洋底區(qū)域，這些不同的洋底區(qū)域保存著當(dāng)時(shí)的地球磁場(chǎng)信息。上世紀(jì)60年代，科學(xué)家們通過(guò)研究洋底巖石，發(fā)現(xiàn)地球磁極可能發(fā)生過(guò)顛倒，也就是地磁N極的磁場(chǎng)極性變?yōu)镾極，地磁S極的磁場(chǎng)極性變?yōu)镹極。地球磁極發(fā)生顛倒沒(méi)有固定的周期，從10萬(wàn)年到100萬(wàn)年不等。每次磁極顛倒需1000~10000年才能完成。地球磁極的上次顛倒發(fā)生在78萬(wàn)年前。

據(jù)科學(xué)家分析，地球磁場(chǎng)發(fā)生顛倒期間，地球磁場(chǎng)會(huì)變得不規(guī)則，且強(qiáng)度明顯減弱，也許會(huì)短暫消失。這樣地球會(huì)暴露在太陽(yáng)風(fēng)高能帶電粒子的轟擊下，可能會(huì)使某些生物滅絕。然而，在這方面，地質(zhì)化石的研究還沒(méi)有得到可靠的證據(jù)。

4 不可或缺的地球磁場(chǎng)

地球具有比較規(guī)則的磁場(chǎng)，這完全是地球作為太陽(yáng)系一顆大行星的自然屬性。然而，這一屬性很早就被人類(lèi)所利用，服務(wù)于人們的生產(chǎn)和生活。最常見(jiàn)的就是指南針，在地球磁場(chǎng)的作用下，它總是指向南北方向。早在12世紀(jì)，海上航行就靠它指引航程。如今，野外旅游、探險(xiǎn)及一些科學(xué)實(shí)驗(yàn)還要依靠它的幫助。在富藏鐵等金屬的地質(zhì)區(qū)域，地球磁場(chǎng)往往出現(xiàn)異常，探礦工作者則根據(jù)這一點(diǎn)尋找礦藏?？茖W(xué)研究發(fā)現(xiàn)，某些候鳥(niǎo)和海龜做長(zhǎng)途遷徙也依靠地球磁場(chǎng)確定行程。

對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)，最為重要的是磁場(chǎng)對(duì)人類(lèi)及生物的保護(hù)。如果沒(méi)有地球磁場(chǎng)，在太陽(yáng)風(fēng)的不斷吹打下，地球高層大氣包括臭氧層會(huì)逐漸散失掉。這樣太陽(yáng)風(fēng)中的帶電粒子和太陽(yáng)紫外線等高能輻射直接襲擊人類(lèi)和生物，引起它們發(fā)生病變直至死亡。據(jù)科學(xué)家研究，火星磁場(chǎng)的逐漸減弱和消失，導(dǎo)致它不斷失去周?chē)亩趸細(xì)怏w。所以，火星逐漸演變?yōu)榻裉斓臓顟B(tài)——目前火星是一個(gè)荒無(wú)人煙的行星。

5 太陽(yáng)磁場(chǎng)與地球迥異

太陽(yáng)是一顆自己能夠發(fā)光的恒星，整體結(jié)構(gòu)分為太陽(yáng)內(nèi)部和太陽(yáng)大氣兩部分。太陽(yáng)內(nèi)部包括日核、輻射層和對(duì)流層，這里不能被人們直接觀測(cè)到。太陽(yáng)大氣包括光球、色球和日冕三個(gè)層次。人眼直接看到的太陽(yáng)表面是太陽(yáng)光球，然而，色球?qū)雍腿彰釋影l(fā)光微弱，不容易被裸眼直接看到。太陽(yáng)表面（光球）是氣體狀態(tài)，溫度約為5770k，沒(méi)有固體外殼。

1908年，美國(guó)天文學(xué)家海爾（George Ellery Hale）首次測(cè)量太陽(yáng)光球的黑子磁場(chǎng)。目前，天文學(xué)家仍然主要通過(guò)測(cè)量光球磁場(chǎng)來(lái)了解太陽(yáng)的磁場(chǎng)特性。經(jīng)過(guò)一百多年的測(cè)量，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)不同于地球，地球擁有比較規(guī)則的偶極磁場(chǎng)，而太陽(yáng)磁場(chǎng)則復(fù)雜得多。太陽(yáng)磁場(chǎng)大體可以分為特性不同的三個(gè)部分：

太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)磁場(chǎng)、太陽(yáng)極區(qū)磁場(chǎng)和太陽(yáng)寧?kù)o區(qū)磁場(chǎng)。

單個(gè)黑子的結(jié)構(gòu)，半影纖維反映磁場(chǎng)走向

6 太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)磁場(chǎng)

早在2000多年前的漢代，我國(guó)古人就發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)上有黑子。1908年美國(guó)人海爾測(cè)量了黑子磁場(chǎng)，從此，天文學(xué)家知道太陽(yáng)黑子是磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)3000~4000高斯的強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域。大多數(shù)情況下，太陽(yáng)黑子成對(duì)出現(xiàn)，兩個(gè)黑子大致沿東西方向分布，它們的磁場(chǎng)極性相反，一個(gè)為N極，另一個(gè)則為S極。這樣的黑子就是一束磁場(chǎng)線浮出光球造成的。有時(shí)候，許多黑子聚合成一群，構(gòu)成黑子群。它們往往面積很大，磁場(chǎng)極性分布比較雜亂、不規(guī)則。這種黑子群中的磁場(chǎng)分布很復(fù)雜，往往由多束磁力線構(gòu)成。光球中黑子群的磁場(chǎng)，向上延伸，可以到達(dá)色球?qū)雍腿彰釋樱前l(fā)生耀斑等活動(dòng)現(xiàn)象的區(qū)域，所以稱為活動(dòng)區(qū)。

太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)（黑子群）一般出現(xiàn)在太陽(yáng)南北半球緯度5°~45°的范圍。太陽(yáng)上的黑子數(shù)目有時(shí)多有時(shí)少，呈現(xiàn)平均約11年的變化周期，即太陽(yáng)活動(dòng)周。太陽(yáng)黑子在日面上的位置隨太陽(yáng)周的進(jìn)展逐漸由高緯度向低緯度遷移。下一個(gè)活動(dòng)周中黑子群的磁場(chǎng)極性分布與本太陽(yáng)活動(dòng)周相反。

用色球望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)太陽(yáng)，在日面邊緣經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)日珥，它們突出于日面邊緣之外，處在色球甚至日冕中，它們的形狀多種多樣。有些日珥處在太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)，是太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)的一部分。盡管天文學(xué)家還沒(méi)有徹底弄清日珥中磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，但是，磁場(chǎng)是日珥存在、日珥形狀及日珥特性的決定因素，這一點(diǎn)是肯定的。當(dāng)然，日珥也會(huì)變化、甚至爆發(fā)。除日珥之外，還能直觀地顯示活動(dòng)區(qū)磁場(chǎng)特征的是色球和日冕中的磁環(huán)。空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡采用紫外及X射線觀測(cè)，可以觀測(cè)太陽(yáng)的色球和日冕層，其中太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)的磁力線環(huán)清晰地指示了磁場(chǎng)的走向、形狀和疏密狀態(tài)。

太陽(yáng)黑子（強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域）在太陽(yáng)光球的分布

7 太陽(yáng)極區(qū)和寧?kù)o區(qū)磁場(chǎng)

在太陽(yáng)表面（光球?qū)樱?，活?dòng)區(qū)（黑子群）之外的區(qū)域被稱為“太陽(yáng)寧?kù)o區(qū)”。這里一般不發(fā)生耀斑等太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象。隨著太陽(yáng)磁場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，上世紀(jì)70年代，太陽(yáng)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)寧?kù)o區(qū)也存在磁場(chǎng)，不過(guò)這里的磁場(chǎng)強(qiáng)度比活動(dòng)區(qū)要小很多。這種微弱磁場(chǎng)的分布呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的尺度約30000~40000千米。在網(wǎng)絡(luò)邊界磁場(chǎng)強(qiáng)度20~200高斯，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，是一些孤立的尺度小于750千米的小磁場(chǎng)單元，磁場(chǎng)強(qiáng)度5~25高斯。

在南北半球緯度大于55°的區(qū)域，是太陽(yáng)球體的高緯度地區(qū)，或者稱為南北極區(qū)。自上世紀(jì)50年代，太陽(yáng)物理學(xué)家測(cè)量發(fā)現(xiàn)，這里的磁場(chǎng)強(qiáng)度不為零。太陽(yáng)南北極區(qū)與太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)、太陽(yáng)寧?kù)o區(qū)的磁場(chǎng)情況不同。在南極區(qū)或者北極區(qū)，磁場(chǎng)強(qiáng)度很微弱，僅僅1~2高斯。不過(guò)，在同一個(gè)極區(qū)磁場(chǎng)極性是相同的，而南極區(qū)與北極區(qū)磁場(chǎng)的極性則相反。單單看太陽(yáng)兩極的磁場(chǎng)，類(lèi)似棒狀磁鐵的雙極結(jié)構(gòu)，但是沒(méi)有良好的對(duì)稱性和軸向。而且在太陽(yáng)活動(dòng)處于極大時(shí)段，太陽(yáng)極區(qū)磁場(chǎng)會(huì)改變極性。原來(lái)是N極的磁場(chǎng)，逐漸變化為S極。

太陽(yáng)極區(qū)與太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)磁場(chǎng)分布示意圖。白線表示極區(qū)磁場(chǎng)；橙線表示活動(dòng)區(qū)磁場(chǎng)；綠線螺旋線表示帶電粒子的活動(dòng)軌跡；黃線表示太陽(yáng)自轉(zhuǎn)軸。

8 磁場(chǎng)是太陽(yáng)活動(dòng)的制造者

假如太陽(yáng)磁場(chǎng)消失掉，那么許多太陽(yáng)物理學(xué)家會(huì)失業(yè)，許多太陽(yáng)觀測(cè)設(shè)備會(huì)廢棄掉。因?yàn)樘?yáng)磁場(chǎng)的研究吸引了很多人力物力。特別是太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)磁場(chǎng)，它是各種太陽(yáng)活動(dòng)的制造者。太陽(yáng)耀斑就是活動(dòng)區(qū)磁場(chǎng)能量的釋放，造成活動(dòng)區(qū)局部電磁輻射增強(qiáng)、產(chǎn)生許多高能量帶電粒子。日珥爆發(fā)也是日珥磁場(chǎng)不穩(wěn)定引起的?；顒?dòng)區(qū)磁場(chǎng)活動(dòng)還會(huì)引起日冕物質(zhì)拋射現(xiàn)象。所有這些太陽(yáng)活動(dòng)都可對(duì)地球帶來(lái)一些不利的影響，比如損毀衛(wèi)星、干擾通訊、破壞長(zhǎng)距離輸電導(dǎo)線，等等。正是這些原因，隨著人類(lèi)空間探測(cè)等科技活動(dòng)的日益增多，世界各國(guó)越來(lái)越重視對(duì)太陽(yáng)磁場(chǎng)的研究。

太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)的磁環(huán)，反映了磁場(chǎng)線分布與走向

9 與地球磁場(chǎng)和太陽(yáng)磁場(chǎng)都有聯(lián)系的極光

極光是地球高緯度地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)的一種自然現(xiàn)象。北歐、阿拉斯加、俄羅斯北部和加拿大北部的居民對(duì)它非常熟悉，這里的民族文化中，流傳著不少關(guān)于極光的傳說(shuō)。隨著近代科學(xué)的發(fā)展，極光作為一種自然現(xiàn)象，已經(jīng)被人類(lèi)所認(rèn)識(shí)。極光現(xiàn)象與太陽(yáng)磁場(chǎng)、地球磁場(chǎng)都有緊密聯(lián)系。

太陽(yáng)日冕中溫度非常高，其中高能量帶電粒子向行星際空間傳播，形成太陽(yáng)風(fēng)。地球同其他行星一樣受到太陽(yáng)風(fēng)粒子的沖擊。不僅如此，當(dāng)活動(dòng)區(qū)磁場(chǎng)能量釋放，發(fā)生耀斑和日冕物質(zhì)拋射時(shí)，可能會(huì)有大量高能量帶電粒子隨太陽(yáng)風(fēng)沖向地球。沖向地球的帶電粒子與地球磁場(chǎng)作用，最終帶電粒子沿著地球磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，沖向地球的兩極地區(qū)。這些粒子與兩極地區(qū)空氣中氮和氧分子作用，使得大氣中氮和氧分子發(fā)出彩色的可見(jiàn)光。這就是在地球高緯度地區(qū)天空中出現(xiàn)的多姿多彩的極光現(xiàn)象。