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答:地球的「守門員」磁層是怎麼阻擋住太陽風的?

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空少問答

小課堂

第七十九期

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答:地球的「守門員」磁層是怎麼阻擋住太陽風的?

上周六,空少為大家留了1個問題,來看看空少的解答以及從留言中選出的最佳答案吧!

想要查看原問題背景介紹的朋友們可以點擊問:地球的「守門員」磁層是怎麼阻擋住太陽風的?~下面就讓我們來看看空少的解答吧!

空少正解

上期我們講到,就好像保護球門不讓對方進球的守門員一樣,地球也有「磁層」這樣一個宇宙中的「守門員」,幫助我們阻擋了太陽風的侵襲。地球就像一個大磁鐵,周圍有強大的磁場。而地球的磁層就是在太陽風和磁場的相互作用下,地球原來磁場的磁力線被太陽風壓縮在地球周圍一個有限的空間,這裡被太陽風包圍,且充滿了受地磁場控制的等離子體。

在太陽風吹動下,地球磁層結構的示意圖

那麼,磁層是怎麼阻擋住太陽風的呢?

大部分讀者朋友應該很熟悉帶電粒子運動與磁場的一些基本原理:帶電的微小粒子——不論帶正電還是負電——沿著磁場的方向可以很順暢的運動,但是要橫越磁場、也就是垂直磁場方向運動,就會受到名為洛倫茲力的電磁力,在空間中無依無靠的帶電粒子自然會向著洛倫茲力的方向「拐彎」。故而,帶電粒子很難橫穿磁力線。

人們很早就知道地球有磁場,並且地球磁場的南極在地理的北極附近、地球磁場的北極在地理的南極附近——所謂南北極僅是古代約定俗成的名字。同樣的,我們定義的磁場方向就是指南針(指南針也是磁鐵)北極所指的方向,也就是磁力線從北極出來指向南極的方向,磁力線從指針的南極流入、北極流出,自然也就指北了,因此也很容易就此知道地磁南北極的方向與地理南北極是相反的。這些混亂之處來源於古人約定俗成的名稱。

磁力線指示了磁場的方向,從北極(N)指向南極(S)

既然如此,在地球周圍,磁場的磁力線從地球地理南極附近出來,往地球地理北極而去,也就是下邊這張圖的樣子。因此,從宇宙中看它整體是從南向北的,特別是在赤道附近幾乎就是正南正北。那麼,「遠道而來」的宇宙中的高能粒子——例如太陽風——想要橫穿這樣的磁場,自然就會受到洛倫茲力的阻撓。在宇宙中存在一個區域,一邊是來自太陽風等的高能量粒子被擋住,另一邊是在地球磁場保護下的磁層區域,裡面是低能量的粒子(低能量意味著速度慢)。這個區域我們就叫它「磁層頂」。早在1931年,Chapman和Ferraro就在研究地球磁場的擾動時預言地球磁層頂存在,並認為磁層頂大小受太陽風動壓控制——「敵」強我退,「敵」弱我進。而由於太陽風好像真的風吹一樣擠壓地球磁場,地球的磁層就像第一張圖那樣,正面彷彿圓盾,背面拖著一條長尾巴,在南北極各自有一個「漏斗」。

地球的磁場是這樣的,如果沒有太陽風的話

假設太陽風沒有磁場情況下(早期我們並不了解太陽風的磁場),在太陽風質子(帶正電的粒子)和電子(帶負電的粒子)開始穿入地球磁場過程中,它們將各自受洛倫茨力作用方向相反,就會發生相反方向的偏轉,從而形成了磁層頂電流,在磁層頂附近運動、而不是繼續直衝著地球飛過來。

而太陽風實際是有磁場的,時而向南時而向北,它們是太陽日冕中的磁場跟著等離子體一起被帶過來的。磁場更加不能橫越磁場,用平面圖來講,就是所謂的「磁力線不能交叉」。故而,太陽風更是不能隨便穿越磁層頂。同為向北的太陽風磁場可以包著太陽風粒子,在地球磁層上「裹一層」,並在磁力線向地球方向推動時隨著一起運動;向南的太陽風磁場則可能與地球磁場發生激烈作用,雙方的磁力線都斷掉重新聯接,地磁場北邊的部分與太陽風磁場北邊的部分相聯,把一部分等離子體往北帶,地磁場南邊的部分與太陽風磁場南邊的部分相聯,把另一部分等離子體往南帶,太陽風粒子就這樣在正面被「擋開了」。其實這裡面的過程非常複雜,北向太陽風也能重聯,越寫越長這裡就不再繼續講了。

南向磁場的太陽風與地球磁場發生重聯的示意圖,1-5依次發生

在平靜的太陽風中,磁層頂在地球朝向陽一側距地心約為10個地球半徑,在兩極約為13~14個地球半徑,而在背陽側最遠處可達1000個地球半徑,形似一個彗星。太陽激烈擾動時,導致太陽風密度和速度大為增大,磁層也隨之大大被壓縮,這時向陽側的磁層頂可能離地心只有6~7個地球半徑。

既然速度高達300~400千米/秒的太陽風粒子在地球附近被阻擋,特別是這個速度已經大到超過了等離子體里的聲速,所以會有一個明顯的速度下降的宇宙區域,在磁層再前方約幾個地球半徑處形成「弓激波」(也就是第一張圖地球正面最外圈的那條線),可以類比超音速戰鬥機正面的激波,高速等離子體在這附近減速或偏轉。

留言區·精選

@ 若水

太陽風應該是一種高速的離流,而離子會在磁場中發生偏轉,所以說太陽風中的離子流會因地球磁場而發生偏轉,所以地球的磁層可以阻擋住太陽風。


@ 霸凌侯爺

地球在太陽系裡的行星中,擁有最高的磁層密度.這個廣闊的鎳-鐵核負責整個磁場.該磁場形成地磁層。阻擋太陽風?打過水漂么?地外輻射就好比「你手中的石片」,在磁場密度小的外太空穿行還算順暢,。但「太陽風石片」一接觸到地磁場「這片水域」,就會因為突然遇到密度更大磁場而行動受阻,發生運動軌跡偏折。。。於是,「石片」就被「彈」到外太空,「打了水漂」。

感謝大家的支持,我們下期再見!


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