都知道，地球上天然具有磁場。

一般認為，地球的磁場源于地球內部液態鐵鎳的流動導致的電流、地球自轉以及熱化學對流等因素的貢獻，具體機制較為復雜，此處不表。

地球磁場的起因

地球的磁場隨遠離地心而減小，地面處的磁場只有地球外核處的大約1/50，處于地表之外的磁場空間也被叫做磁層（Magnetosphere），它包含大氣電離層，并向太空延伸數十萬公里。

磁層——地球外部的磁場空間

地球的磁場類似于一根條形磁鐵的磁場。這根巨大的條形磁鐵與地球自轉軸成11.5°夾角。它的N極在地球的南極附近，而S極在地球的北極附近。具體的地點分別位于南緯64.13°, 東經135.88°處和北緯86.50°，東經175.40°處。

不過，地磁的兩極一直在緩慢地移動，由于這種移動非常慢，所以對導航影響不大。但研究表明，每隔數十萬年左右， 地球磁場 會反轉，磁極會在一瞬間互換位置。磁極反轉會在石中留下的痕跡，因而得以被人類了解。

我們知道，條形磁鐵內部，磁力線是從S極指向N極的，但外面是從N極指向S極的，每條磁力線都是一條閉合曲線。如下圖就是一根條形磁鐵的磁場的磁力線分布的樣子。

條形磁鐵的磁場

據此，你可以想象，地球的磁場差不多長下面這樣。是的，你沒看錯，S極在地球的北極附近，而N極在地球的南極附近。

地球磁場的磁偶極子模型

很多人把地磁場S極和N極搞反了，原因是地理和物理中，磁極的命名剛好相反。地理中說的地磁南極其實是物理上的地磁N極，而地磁北極其實是物理上的地磁S極。

在電磁學中，條形磁鐵的簡化模型叫磁偶極子（magnetic dipole）。這種模型的磁場分布所滿足的特點是：磁場兩頭大，中間小，且兩頭的磁感應強度B是中間的的兩倍。

而按照測量，地球表面的磁場，除了一些特殊位置之外，基本滿足磁偶極子的磁場分布規律。具體數量如下（單位：μT）：

位置

磁場強度范圍

典型值

磁極區域

60~65

63

赤道區域

25~30

30

中緯度區域

40~50

45

微特斯拉（μT）這個單位是一個很小的單位，它是毫特斯拉的千分之一。例如冰箱貼約5mT，算下來是地磁場的100倍左右，而釹磁鐵可達1.4T，磁懸浮列車需要5T以上磁感應強度。

這足以說明地表的地球的磁場是很弱的。這么弱的磁場，它對于我們的世界有什么用嗎？

作用可大了！如果說它就像地球的皮，那么地表大氣和生物圈就像地球的毛，你說它的作用大不大！

太陽雖然離地球這么遠，但它內部的瘋狂的熱核反應，導致太陽表面（也叫日冕）不斷向外拋射的高溫物質，即日冕物質拋射（CME），拋出的物質是高溫等離子體，主要由動能介于0.5和10keV的電子和質子組成。

日冕物質拋射

在太陽活動極大期附近，太陽每天會產生大約三次日冕物質拋射，而在太陽活動極小期附近，每五天就會發生一次日冕物質拋射。

日冕物質拋射到太空中就形成所謂太陽風（solar wind），即高速帶電粒子流。它們移動的速度約為200至1000公里每秒。它們攜帶著磁場，即行星際磁場（IMF）。

除了太陽風，還有宇宙射線（cosmic ray），它是來自銀河系及河外星系的高能帶電粒子，它們以接近光速的速度運動，成分主要是質子和原子核。

宇宙射線

如果沒有地球的磁場的保護作用，太陽風和宇宙射線早就將地球表面大氣剝離，地球就會像一絲不掛的火星那樣，變成一個萬籟俱寂的不毛之地。

沒有磁場的保護下的太陽風

這個剝離大氣層的力源于多方面。

一方面，由于地球大氣的電離層本身就是被部分電離的大氣，所以含有等離子體，帶電粒子流吹來，就會給電離層施加推力作用。

另一方面，高能帶電粒子直接撞擊大氣分子，通過彈性/非彈性碰撞傳遞動能，使其速度超過地球的逃逸速度，從而逃離大氣層。

還有就是，大氣與太陽風通過電荷交換，生成高能中性原子（ENA）和低能離子后逃逸。

另外，通過所謂磁重聯驅動逃逸，即行星際磁場與行星磁場重聯，通過洛倫茲力將大氣離子加速甩出。

總之，如果沒有磁場的保護，在太陽風和宇宙射線的這幾個組合拳的一頓操作之下，地球的華麗外衣將被徹底剝去，地球生物圈將徹底死亡，只剩下溝壑縱橫的黑暗大陸。

但有了地球磁場，這些事情就會被有效地避免了，美麗的地球家園得以延續。

地球磁場保護下的太陽風

那么，地球的磁場是如何保護地球免受的這些帶電粒子的暴擊呢？

按中學物理知識，帶電粒子在磁場作用下，沿著磁力線做勻速運動，垂直于磁力線做圓周運動。按這樣的機制，帶電粒子頂多拐個彎，但還是會撞上大氣的啊！

不不不！中學物理只考慮均勻磁場中帶電粒子的運動，而地球的磁場是非均勻的！在這種非均勻磁場中，帶電粒子會沿著磁力線加速運動。

是不是覺得有點難以理解？沒關系，只需3個公式，你就能懂這背后的物理機制。

等離子體物理學中有一條重要的守恒律——等離子體物質在非均勻磁場中運動時，帶電粒子的磁矩守恒，即

另一方面，由于洛倫茲力不做功，帶電粒子的能量守恒，故

聯立上兩式得

可見，當磁場減小時，帶電粒子沿磁力線運動越快。當磁場沿某個方向逐漸減小到0時，粒子會加速沿磁力線運動。

前面提到，除了少數異常位置，地球的磁場的結構總體上是磁偶極子的磁場模式。但受到太陽風的影響，磁層不再對稱——朝著太陽的一面，它的寬度大約10個地球半徑；而在背離太陽的另一面，是延伸超過200個地球半徑的所謂“磁尾”區域。

太陽風作用下的地球磁層

當帶電粒子進入地球磁層時，由于兩極磁場強，中間磁場弱，帶電粒子會在兩極之間做回旋運動——一邊轉圈一邊往前走。根據磁矩守恒的規律，帶電粒子越靠近兩極時，平行于磁力線的速度降低，而越靠近赤道區域，平行于磁力線方向的速度達到最大。

這導致帶電粒子可能在兩極之間來回運動。兩極就像兩個反射鏡一樣，所以也叫磁鏡。

磁鏡原理圖

太陽風中能量較高（>100 keV）的粒子在這樣一個巨型磁鏡中做回旋運動時，它們被約束在在一個叫范艾倫輻射帶（Van Allen radiation belt）的雙環狀區域中，如下圖所示，它有內外兩個環，在兩個環之間形成一個沒有輻射的“安全區”。范艾倫帶屬于離地球表面安全距離的范圍，從而避免了太陽風直接沖擊地球表面。

范艾倫輻射帶

同時，在兩個極區，磁力線從兩極處向外延伸，形成所謂開放磁力線。這種磁場隨著遠離地球而不斷減弱。當太陽風中中等能量的粒子（1~100keV）被引到極區后，根據前面提到的磁矩守恒的規律，帶電粒子將會沿著開放磁力線加速運動而逃離地球。通過這種泄洪的方式，大約70%的太陽風入侵粒子被送往外太空。

地球上靠近兩極的地方，人們經常可以看到一種叫極光（Aurora）的天文現象，它就是由太陽風進入地球磁層后，沿磁力線被引導至磁極區，與高層大氣（電離層）中的原子和分子碰撞，激發它們發光而產生的現象。

美麗的極光

如果太陽風較弱，磁層就會膨脹，而若太陽風較強，則會壓縮磁層，這會導致更多的太陽風進入磁層。當日冕物質拋射引發強烈的太陽風抵達地球上空時，就會發生特別強烈的活動，稱為地磁風暴（geomagnetic storm）。

1859年的地磁爆模擬圖

地磁風暴會造成很大的破壞，例如2003年的“萬圣節”風暴損壞了美國宇航局超過三分之一的衛星。有記錄以來最大的風暴是卡靈頓事件，發生在 1859 年。它產生的電流強大到足以擾亂電報線路，遠至夏威夷南部都報告都出現了極光。

作為生活在地球家園的生物，我們和我們的世界都被這個隱形防護罩保護得好好的，來自外太空的劍雨碰到它，只能是鴨背上的水——白費勁！當我們仰望星空時，不得不由衷地贊嘆偉大地造物主這極致美妙設計。

參考文獻

https://science.nasa.gov/science-research/earth-science/earths-magnetosphere-protecting-our-planet-from-harmful-space-energy/
https://en.wikipedia.org/wiki/Van_Allen_radiation_belt
https://en.wikipedia.org/wiki/Earth%27s_magnetic_field
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2013/04/aa20965-12/aa20965-12.html

本文轉載自《物含妙理》微信公眾號

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