是誰在保護地球大氣，使之不被太陽風(fēng)剝蝕殆盡

許多科幻作品都曾暢想過人類未來如何改造火星環(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，同時通過溫室效應(yīng)提高表面溫度，使水能夠以液態(tài)存在，從而創(chuàng)造適宜來自地球的生物繁衍的環(huán)境。通過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植物或人類呼吸的環(huán)境。馬斯克提出的“核爆”火星計劃的目標(biāo)是通過核爆炸使火星極地冰帽蒸發(fā)。他認為，這將使火星變得足夠溫暖，從而為人類殖民者提供相對宜居的生存條件。

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的環(huán)境。

圖片來源：https://sitn.hms.harvard.edu/flash/2015/water_mars/

然而，這些方法都避免不了要面對火星的一個先天不足——沒有全球性磁場。大家一定會好奇的一個事實是，相比于太陽系其他行星來說，火星和地球大小重量相似，距太陽的距離也相近，為何地球生機勃勃，火星卻是一片不毛？最重要的原因就是地球自身具有強大磁場，可以籍此和太陽風(fēng)進行對抗，從而很好地保護自己。地磁場就是我們今天的主角。

圖2 火星磁場不像地球磁場那般強大，可以抵御太陽風(fēng)。

圖片來源：NASA

地球磁場是一個龐大而復(fù)雜的磁場結(jié)構(gòu)，它是地球生命的強大守護者。

圖3 計算機模擬的地球磁場。這些線代表磁場線，藍色表示磁場指向中心，黃色表示遠離中心。密集線束位于地球內(nèi)部。

圖片來源：維基百科

一、地球磁場的結(jié)構(gòu)特征

地球磁場的結(jié)構(gòu)主要包括內(nèi)源場和外源場兩部分。內(nèi)源場顧名思義來自地球內(nèi)部物質(zhì)及其運動，包括地核場（主磁場）、地殼場、感應(yīng)場，外源場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。

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

圖4 地球偶極磁場，可以視為一塊巨大的磁鐵

圖片來源：https://physics.aps.org/articles/v9/91

地殼磁場是由地球表面的巖石和礦物所產(chǎn)生的磁場，這些巖石和礦物中的磁性物質(zhì)會對地球磁場產(chǎn)生局部的影響。地殼磁場的強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處計算的地殼磁場。

(Purucker et al., 2002)

地球磁場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（例如外核不均勻冷卻釋放能量）造成擾動，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磁場強度持續(xù)減弱的大片區(qū)域。時至今日，該區(qū)域仍在不斷擴大并向西南方向移動。

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

圖片來源：維基百科

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

外源場即來自于地球外部的影響。比如來自太陽耀斑期間沖擊地球的磁云，會和外圍的地磁場發(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向地球而來，沖擊地球磁場。

圖片來源：https://www.jagranjosh.com/general-knowledge/geomagnetic-storm-1643966815-1

二、地球磁場的形成機制

地球主磁場是如何形成的，是一個諾獎級的難題，這與地球內(nèi)部的物質(zhì)運動密切相關(guān)。關(guān)于地磁場的形成，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。然而地球上的電荷總量遠不足以產(chǎn)生如此強的磁場）、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)生觀測到的磁場，這幾乎是天然巖石磁化強度的上限，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發(fā)電機理論，地球內(nèi)部包括固態(tài)的地殼、上下地幔、流動的外核和固態(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)電機效應(yīng)圖，外核中的帶電成分隨地球自轉(zhuǎn)運動切割磁場線。

圖片來源：https://triumphias.com/blog/unlocking-earths-secrets-seismic-waves-2/

鐵是具有磁性的元素，可以視為一種導(dǎo)體，而流動的外核在地球自轉(zhuǎn)的作用下，切割地磁場的磁場線，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（安培環(huán)路定律），由此形成一個自激發(fā)的閉環(huán)。然而這就形成了一個磁場切割磁場線進而產(chǎn)生磁場的永動機問題，因此還需要更多探究。

圖9 外核切割地磁場線的過程和我們所熟知的通電線圈在變化磁場中產(chǎn)生電動勢的變化相似

圖片來源：https://www.geeksforgeeks.org/faradays-law-and-lenzs-law-of-electromagnetic-induction/

三、地球磁場的作用

地球磁場對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。

地球磁場對地球上的生物最大的作用莫過于保護作用。磁場可以阻擋太陽風(fēng)帶來的宇宙射線，減輕地球表面的輻射強度，從而保護地球上的生物免受輻射的危害。同時也有效地減輕了太陽風(fēng)對地球大氣的剝蝕作用。如果失去強大的地磁場，地球則可能向火星的方向發(fā)展，只剩下地殼剩磁，無法抵御太陽風(fēng)的沖擊，大氣被剝蝕殆盡。

地球磁場對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。

地球磁場對地球上的生物最大的作用莫過于保護作用。磁場可以阻擋太陽風(fēng)帶來的宇宙射線，減輕地球表面的輻射強度，從而保護地球上的生物免受輻射的危害。同時也有效地減輕了太陽風(fēng)對地球大氣的剝蝕作用。如果失去強大的地磁場，地球則可能向火星的方向發(fā)展，只剩下地殼剩磁，無法抵御太陽風(fēng)的沖擊，大氣被剝蝕殆盡。

圖10 主磁場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

圖片來源：https://suindependent.com/life-earth-mars-going/

地球磁場在導(dǎo)航和定位系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。許多動物利用地球磁場進行導(dǎo)航，而人類則通過磁羅盤等工具來確定方向。

圖11 磁導(dǎo)航至今仍然是計算航向的重要工具

圖片來源：https://maritronics.com/magic-compass-maritime/

地球磁場與太陽風(fēng)相互作用，深刻影響了地球的電離層。這給無線通信和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等技術(shù)帶來了挑戰(zhàn)。太陽風(fēng)及其引起的磁暴會造成電離層的強烈擾動。盡管地磁場在強磁擾時一般也只有幾千納特斯拉的強度，但已足以調(diào)動帶電的粒子形成濃密的等離子體云塊，在干擾衛(wèi)星和地面之間信號傳輸?shù)耐瑫r還會改變衛(wèi)星周圍的電磁環(huán)境，從而可能損壞其內(nèi)部的儀器。因此地球磁場的研究對相關(guān)技術(shù)的發(fā)展具有指導(dǎo)意義。

圖12 雷達和衛(wèi)星之間的信號傳輸要經(jīng)過電離層，而這里受地磁場的影響非常大。

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

地磁場對太陽風(fēng)高能粒子具有屏蔽作用，使這些粒子不能直接進入地球大氣層。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。極光的形成與磁場線的位置有關(guān)。帶電粒子在地球磁場中運動時，沿著磁場線進入大氣層，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)的磁場線進入，形成了環(huán)形的極光卵

圖片來源：https://www.swpc.noaa.gov/content/aurora-tutorial

地球磁場并非靜態(tài)不變的，它在地質(zhì)時間尺度上會發(fā)生變化。地球磁極位置會隨時間漂移，而且磁場的強度和結(jié)構(gòu)也會發(fā)生變化。這種變化可能是由地球內(nèi)部的物質(zhì)運動、地殼運動以及其他未知因素引起的。

地球磁場對地球上的生命和自然現(xiàn)象有著多

四、地球磁場的變化

地球磁場對地球上的生命和自然現(xiàn)象有著多方面的影響

地球磁場并非靜態(tài)不變的，它在地質(zhì)時間尺度上會發(fā)生變化。地球磁極位置會隨時間漂移，而且磁場的強度和結(jié)構(gòu)也會發(fā)生變化。這種變化可能是由地球內(nèi)部的物質(zhì)運動、地殼運動以及其他未知因素引起的。

圖14 數(shù)百年來磁極一直處在不斷移動的過程中。其中紅點為地球主磁場磁軸的極點，黑點為地球總磁場的磁極。(William et al., 2016)

科學(xué)家通過地磁觀測站、衛(wèi)星磁力計等手段對地球磁場進行定期監(jiān)測，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)運動機制，對地球演化和動力學(xué)過程提供重要線索。

地磁場的磁極在漫長的歷史中經(jīng)常發(fā)生倒轉(zhuǎn)，磁極的移動速度，倒轉(zhuǎn)的時間間隔都是不均勻的。在對發(fā)電機過程的模擬研究中，倒轉(zhuǎn)常常自發(fā)地在液態(tài)外核的對流中出現(xiàn)。例如，加州大學(xué)洛杉磯分校的Gary Glatzmaier和合作者Paul Roberts運行了一個地球內(nèi)部運動的數(shù)值模型。他們通過模擬驗證了液態(tài)外核的確可以自發(fā)地發(fā)生倒轉(zhuǎn)。

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

太陽風(fēng)對地磁場有壓縮的作用，太陽活動的強弱波動會導(dǎo)致地磁場形態(tài)的強烈變化。

圖15 地磁場被壓縮，地磁場朝向太陽的一側(cè)（日側(cè)）被太陽風(fēng)壓縮，背對太陽，處于黑夜中的一側(cè)（夜側(cè)）的地磁場線被太陽風(fēng)拉伸。形成地磁場形態(tài)的極不對稱的結(jié)構(gòu)。

圖片來源：BBC Science Focus

五、結(jié)語

某種程度上來說，我們一直生活在穹頂之下，這個穹頂就是由地磁場所創(chuàng)造的。因為它的存在，地球才有了孕育生命和文明的可能。它保護著這個星球上一切我們所熱愛的東西。

美編：林潔

校對：李玉鈐 伍姝雨