磁层指南

地球磁场在太空中形成了一层称为磁层的物质。以下是磁层的一些关键点：

• 磁层的主要作用是偏转最有害的太阳射线，保护我们免受太阳照射。
• 如果没有磁层，地球就会失去臭氧层等保护层。
• 磁层影响罗盘方向、北极光和空间天气。
• 地球磁场会干扰 GPS、通信网络和电网。
• 地球不是唯一拥有磁层的天体。恒星、卫星和行星也都有磁层。

接下来让我们更详细地探索磁层。

第 1 章 什么是磁层？

磁层的解剖结构

我们将磁层划分为不同的部分, 以下是磁层结构的一些定义：

1. 弓形激波是磁层的最外层。
2. 磁鞘是磁层顶和弓形激波之间的区域。
3. 磁层顶是地球磁场与太阳风平衡的地方。
4. 磁层在磁尾侧延伸至 1000 个地球仪。
5. 北尾叶位于磁尾侧，磁场线指向地球。
6. 南尾叶位于磁尾侧，磁场线指向远离地球的方向。
7. 等离子体层是磁层的内层，由低能带电气体（等离子体）组成。
8. 极尖将太阳风向下引导，就像在两极的磁层上形成两个洞一样。

磁尾是磁场夜间部分，未被太阳风压缩。

磁层的双气泡

磁层是什么样子的？很多人把磁层想象成环绕地球的气泡，但它更像是两极分裂的两个不均匀气泡。太阳风在白天压缩磁层。

但在夜晚方向，它的形状像一滴泪珠，向外延伸得更远。地球的两极就像一个漏斗，磁场线从那里直达地球。

这个漏斗使来自太阳的高能粒子能够冲向地球的电离层。因此，我们可以看到被称为北极光的壮观景象。

月球外的磁力线

磁层延伸多远？磁层有两面。它有面向太阳的一面和夜晚的一面（磁尾）。

在面向太阳的一侧，磁层波动范围为 65,000 公里，相当于地球半径的 6-10 倍。但在背阳的一侧，磁层延伸范围为 6,300,000 公里，相当于地球半径的 60 倍。

磁层也属于地球大气层。如果观察地球大气层，就会发现电离层和磁层之间有相当大的重叠。事实上，电离层只是磁层的内边界。

第 2 章 磁层有什么作用？

1.宜居性

磁层使地球表面的生命得以生存。没有磁层，地球就会暴露在来自太阳的宇宙和太阳辐射中。磁场使粒子弯曲。如果有来自太空的危险高速粒子，磁层就像屏蔽宇宙辐射一样将它们偏转。

这就是为什么我们仍然拥有被臭氧层包围的大气层。这是适宜生命生存的关键，就像围绕着地球的气泡一样，磁层保护我们免受太阳的猛烈辐射。

如果没有磁层，太阳的轰击会使地球失去保护层，保护地球免受紫外线伤害的臭氧层。从太空看，磁层与磁北极和磁南极的磁力线产生共振。

2.极光

太阳风暴北极光

北极光是一种由电离层中滞留的等离子体引起的光奇观。在磁暴期间，极光会闪烁粉色、紫色、绿色和蓝色。

每种颜色的闪烁都取决于大气中的氧气和氮气含量。在天空中，它们看起来像窗帘，具体取决于电子在磁层中的位置。

北极光在北方的天空中舞动，色彩绚丽。它不仅是一个科学奇迹，而且在世界各地各种文化的神话中也具有历史意义。

3.罗盘指向磁北方向

地球是一块大磁铁。当拿出指南针时，指针会对地球的磁性做出反应。它通过将其自身对准磁层中的磁力线来实现这一点。

正如已了解到的，这些磁力线位于它们在两极汇合的尖端，这就是为什么指南针总是指向磁北极。

目前，磁北极位于北冰洋中部某处。但随着时间的推移，磁北极并不一致地指向同一方向。事实上，它每年可以漂移超过 10 公里。

4.鸟类迁徙

磁场

鸟类利用磁场线来辨别方向，这个术语被描述为“磁感应”，它赋予了鸟类像指南针一样感知方向的能力。

科学家认为，鸟类之所以有这种第六感，是因为眼睛里有一种特殊的蛋白质。事实证明，不仅鸟类才有这种第六感。狼、蜜蜂和蠕虫也能利用地球磁场导航。

这种感知地球磁场的迷人能力被称为磁感应，并继续引起研究人员的好奇。

5.磁极反转

在地球的历史上，指南针并不总是指向北方。它们已经从北向南转变，这意味着地球的磁场随着时间的推移而逆转。

平均而言，地球磁北极每 25 万年翻转一次。但其翻转间隔并不固定。相反，这种翻转非常难以预测。

在过去的300万年里，磁极已经反转了12次。通过观察富含铁的岩石，我们可以看到磁极反转的历史。

6.空间天气

太阳不断释放等离子体，形成太阳风。但有时，太阳会爆发出巨大的爆发。我们称之为日冕物质抛射，这些太阳耀斑首先袭击磁层，引发北极光。

如果它们的威力足够大，甚至会干扰太空中的卫星和电网，这些干扰很少见。但磁层是了解太空天气的关键。如果了解太空天气，那么就能了解它如何影响我们。

第3章 地球为什么有磁层？

地球内部

地球磁场是由地核中流动的电流产生的。如果深入地球内部，就会发现它并不是完全固体，地核几乎全是铁和镍。但地核外层实际上是液体。我们通过地震层析成像知道了这一点。

由于地球在旋转，其液态铁也在旋转。正是液体的流动使其具有导电性。由于固体内核加热外部液体层，因此会产生对流，这产生了产生地球磁场的地磁发电机。

地磁发电机

外核液体

地磁发电机是任何天体产生磁场的过程。但产生地磁发电机的不仅仅是地球。例如，恒星、行星和卫星都可以产生磁场，每个地磁发电机都涉及旋转流体。

这是因为内核的旋转速度比地幔快，而且物质带少量电荷。正是这种主动搅动使得对流过程成为可能。

这些对流不仅影响地球内部的热流，它产生的磁场对地球生命的形成也起着重要作用。它为我们提供了一层外太空的磁层，称为磁层。

第四章 什么是磁重联

太阳风即将来袭

太阳

日冕物质抛射 (CME) 会向太阳系释放大量等离子体。由于太阳非常大，这些等离子体或带电粒子占据了我们太阳系的很大一部分。事实上，等离子体约占宇宙的 99.9%。

在正常情况下，当等离子体进入磁层时，地球的磁场线相对不受影响。这会产生裂缝，能量可以从这里进入我们的安全避难所。这些裂缝每天甚至每小时都会打开和关闭。

大多数磁层规模较小，寿命较短。其他磁层规模较大，寿命较长。总体而言，磁层会根据太阳风的强度不断进行自我重构。

磁重联

但有时，太阳释放的等离子体会破坏地球磁场。这迫使地球磁场重新排列成另一种模式，称为磁重联。

当裂缝张开时，地球会吸收来自太阳风的能量，并通过地磁风暴爆发性地释放这些能量。

磁重联可以释放出巨大的动能，影响太空天气和地球的通信系统。

磁层多尺度（MMS）任务

磁层多尺度 (MMS) 任务希望找出磁重联的物理原理。MMS 在磁层中运行，试图实时捕捉磁重联的发生过程。

MMS 不会从外部观察，而是会测量由 4 颗卫星组成的四面体结构的磁重联。具体来说，每颗卫星都会测量磁重联过程中的磁场和粒子运动。

目的是更好地了解触发粒子加速的因素，并根据磁重联预测太空天气模式。

第五章 了解太阳系

地球并不是唯一拥有磁层的天体，恒星、卫星和行星也都有磁层。接下来让我们来探索太阳系中的各种磁层。

水星

水星有磁层，但其磁层强度只有地球的 1/100。水星有一个非常大的铁核。由于部分是液体，液体会旋转，从而产生微弱的磁场。但水星旋转得并不快。这就是水星磁层如此微弱的原因。

金星

如果观察金星的特性，就会发现它的大小、形状和密度与地球非常相似。金星和地球如此相似，以至于金星被昵称为地球的孪生兄弟。

但一个关键的区别是金星没有磁层。这是因为金星旋转速度太慢，没有足够的流体运动来自行形成磁层。而且由于它的磁层太弱，这就是为什么它的大气层失去了大量的水。

月球

关于我们的月球是否有磁场的两个答案如下： 第一个答案是月球在 35 亿年前失去了磁层，第二个答案是我们的月球仍然有一个局部微型磁层。

科学家们知道这是真的，因为他们测量了太阳风偏转的程度。由于太阳风太小，这引出了一个问题：其他天体是否可能存在我们还不知道的局部磁层。

火星

尽管我们对其他星球上的生命很感兴趣，但火星却没有磁层来保护自己免受太阳辐射。这可能是因为火星的核心已经凝固，阻止了内部发电机的产生。

据信，火星在 42 亿年前失去了磁层。随后，太阳风剥离了火星的大部分大气层，火星失去了大量水分，成为了我们今天看到的贫瘠星球。

木星

木星拥有太阳系中最强的磁层，它可能比延伸到土星的太阳磁层还要大。尽管木星大部分由气体组成，但其磁层很可能是由其快速旋转产生的。

木星的一次完整自转需要 9 小时。如果观察木星内部，就会发现它含有金属氢，其作用类似于液体，正是这种流体运动在木星上产生了磁场。因此，木星的每颗卫星都免受木星强磁场的影响。

Ganymede（木卫三）

木星的卫星木卫三拥有自己的磁场，它的磁场不如其他磁层大，但它是木星磁层内的磁层。

这可能是因为木卫三表面下的含盐海洋产生了磁场。木卫三很可能不是铁核，因为木卫三旋转速度不快。

土星

土星有磁层，其产生方式与木星类似，土星内部的液态金属氢具有流体运动。土星的自转周期约为 10 小时，因此这种自转会形成围绕它的磁层。

土卫六(Titan，又称为泰坦星)

土卫六是另一个让科学家感兴趣的地方，因为它有厚厚的大气层，它不会产生自己的磁层。但人们认为它受到土星的保护。这就是为什么土卫六仍然能够维持厚厚的大气层，并受到太阳风的重要保护。

天王星

天王星有磁场，但它不是由液态金属氢（如木星和土星）产生的。相反，它可能是由下方咸水海洋中的对流产生的，天王星是一颗冰冻的气态行星，核心是熔融的。

它的轨道很不寻常，它以面向太阳的一侧旋转。因此，它的磁极与地理极点并不接近。它们从一个地方跳到另一个地方，有时它甚至可以有 4 个极点。尽管旋转速度较慢，但​​足以产生磁场。

海王星

海王星与天王星相似。它的轴偏离自转平面，磁场难以预测。与天王星类似，它不会从核心深处产生磁场。

相反，大约三分之一深的地下有甲烷、氨和水的盐冰在旋转。正是这些流体的运动产生了海王星的对流和磁层。

总结

我们的星球有许多不同的层，其中一层是地球磁层。地球磁层是一个球形电磁鞘，环绕地球并穿越太空，保护我们免受太阳风和宇宙辐射的伤害。磁层是看不见的、脆弱的高能粒子层，以气泡状场包围着地球。

太阳风暴会影响磁层，它会在大气中产生强大的电磁力（10 种力之一）。这些风暴可能会导致通信和电网中断，甚至导致气候变化。