是誰在保護地球大氣，使之不被太陽風剝蝕殆盡
許多科幻作品都曾暢想過人類未來如何改造火星環境以讓其更適宜人類居住。其核心理念在於使火星大氣更爲濃密，增加其中的氧氣含量。
儘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，同時通過溫室效應提高表面溫度，使水能夠以液態存在，從而創造適宜來自地球的生物繁衍的環境。通過光合作用逐漸增加大氣中的氧氣含量，最終使得火星成爲適宜動植物或人類呼吸的環境。馬斯克提出的“核爆”火星計劃的目標是通過核爆炸使火星極地冰帽蒸發。他認爲，這將使火星變得足夠溫暖，從而爲人類殖民者提供相對宜居的生存條件。
圖1 人們構想中改造後的火星擁有和地球相似的海洋和溫暖溼潤的環境。
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，相比於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，爲何地球生機勃勃，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，可以抵禦太陽風。
圖片來源：NASA
地球磁場是一個龐大而複雜的磁場結構，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。密集線束位於地球內部。
圖片來源：維基百科
一、地球磁場的結構特徵
地球磁場的結構主要包括內源場和外源場兩部分。內源場顧名思義來自地球內部物質及其運動，包括地核場（主磁場）、地殼場、感應場，外源場則起源於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成分，它在地球表面的分佈呈現出近似於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，而且隨着時間的推移也會發生變化。
圖4 地球偶極磁場，可以視爲一塊巨大的磁鐵
圖片來源：https://physics.aps.org/articles/v9/91
地殼磁場是由地球表面的岩石和礦物所產生的磁場，這些岩石和礦物中的磁性物質會對地球磁場產生局部的影響。地殼磁場的強度分佈在地球表面上並呈現出極大的不均勻性，也稱爲磁異常。
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，這通常是由於地球內部的地質活動（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，即南美洲和南大西洋的多年來磁場強度持續減弱的大片區域。時至今日，該區域仍在不斷擴大並向西南方向移動。
圖6 顏色代表磁場強度。地磁場的南大西洋異常區，磁場強度在這一區域明顯小於其他地區，原因仍然不明確。
圖片來源：維基百科
其可能源於地球磁極倒轉期間的磁場擾動，地磁倒轉期間,磁場不穩定，可能同時出現多個磁極。也有人認爲其可能是由地球內部一個巨大的緻密磁性岩石儲層引起的，這個儲層稱爲“非洲大型低剪切波速體”，其成因近期被認爲與原始地球和“忒伊亞”星的大碰撞有關。但具體原因至今仍未確定。
外源場即來自於地球外部的影響。比如來自太陽耀斑期間衝擊地球的磁雲，會和外圍的地磁場發生耦合，產生磁重聯的現象。
圖7 日冕拋射出的帶電粒子團向地球而來，衝擊地球磁場。
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，這與地球內部的物質運動密切相關。關於地磁場的形成，曾存在衆多的早期理論如旋轉電荷理論（地表分佈着靜電荷，隨地球旋轉形成電流，從而產生磁場。然而地球上的電荷總量遠不足以產生如此強的磁場）、永久磁化理論（即地球是一塊巨大的磁鐵。但當地球均勻磁化至約80A/m，才能產生觀測到的磁場，這幾乎是天然岩石磁化強度的上限，地球不可能完全由這樣的物質組成）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電機理論，地球內部包括固態的地殼、上下地幔、流動的外核和固態的內核。其中，外核主要由液態的鐵合金組成，而內核主要是由固態鐵合金構成。
圖8 發電機效應圖，外核中的帶電成分隨地球自轉運動切割磁場線。
圖片來源：https://triumphias.com/blog/unlocking-earths-secrets-seismic-waves-2/
鐵是具有磁性的元素，可以視爲一種導體，而流動的外核在地球自轉的作用下，切割地磁場的磁場線，形成了電流（法拉第電磁感應定律），而我們知道變化的電流可以產生磁場（安培環路定律），由此形成一個自激發的閉環。然而這就形成了一個磁場切割磁場線進而產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象有着多方面的影響，其中一些影響至今仍然是科學研究的熱點。
地球磁場對地球上的生物最大的作用莫過於保護作用。磁場可以阻擋太陽風帶來的宇宙射線，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展，只剩下地殼剩磁，無法抵禦太陽風的衝擊，大氣被剝蝕殆盡。
地球磁場對地球上的生命和自然現象有着多方面的影響，其中一些影響至今仍然是科學研究的熱點。
地球磁場對地球上的生物最大的作用莫過於保護作用。磁場可以阻擋太陽風帶來的宇宙射線，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展，只剩下地殼剩磁，無法抵禦太陽風的衝擊，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/
地球磁場在導航和定位系統中起着關鍵作用。許多動物利用地球磁場進行導航，而人類則通過磁羅盤等工具來確定方向。
圖11 磁導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/
地球磁場與太陽風相互作用，深刻影響了地球的電離層。這給無線通信和衛星導航系統等技術帶來了挑戰。太陽風及其引起的磁暴會造成電離層的強烈擾動。儘管地磁場在強磁擾時一般也只有幾千納特斯拉的強度，但已足以調動帶電的粒子形成濃密的等離子體雲塊，在干擾衛星和地面之間信號傳輸的同時還會改變衛星周圍的電磁環境，從而可能損壞其內部的儀器。因此地球磁場的研究對相關技術的發展具有指導意義。
圖12 雷達和衛星之間的信號傳輸要經過電離層，而這裡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，並在那裡與大氣層的氣體分子發生相互作用，產生極光。極光的形成與磁場線的位置有關。帶電粒子在地球磁場中運動時，沿着磁場線進入大氣層，與大氣中的氣體分子發生碰撞，激發原子和分子的電子，產生光芒。不同的氣體和分子在激發和複合的過程中發出不同顏色的光譜特徵，形成了各色的極光。
圖13 高能粒子沿極區的磁場線進入，形成了環形的極光卵
圖片來源：https://www.swpc.noaa.gov/content/aurora-tutorial
地球磁場並非靜態不變的，它在地質時間尺度上會發生變化。地球磁極位置會隨時間漂移，而且磁場的強度和結構也會發生變化。這種變化可能是由地球內部的物質運動、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象有着多
四、地球磁場的變化
地球磁場對地球上的生命和自然現象有着多方面的影響
地球磁場並非靜態不變的，它在地質時間尺度上會發生變化。地球磁極位置會隨時間漂移，而且磁場的強度和結構也會發生變化。這種變化可能是由地球內部的物質運動、地殼運動以及其他未知因素引起的。
圖14 數百年來磁極一直處在不斷移動的過程中。其中紅點爲地球主磁場磁軸的極點，黑點爲地球總磁場的磁極。(William et al., 2016)
科學家通過地磁觀測站、衛星磁力計等手段對地球磁場進行定期監測，以瞭解其變化規律。這種研究有助於深入瞭解地球內部的物質運動機制，對地球演化和動力學過程提供重要線索。
地磁場的磁極在漫長的歷史中經常發生倒轉，磁極的移動速度，倒轉的時間間隔都是不均勻的。在對發電機過程的模擬研究中，倒轉常常自發地在液態外核的對流中出現。例如，加州大學洛杉磯分校的Gary Glatzmaier和合作者Paul Roberts運行了一個地球內部運動的數值模型。他們通過模擬驗證了液態外核的確可以自發地發生倒轉。
另一些科學家認爲地磁倒轉不是自發的過程，而是由直接破壞地核流動的外部事件引發的。包括撞擊事件或來自地球內部的影響，如大陸板塊在俯衝帶的作用下進入地幔，然而這一假說仍缺少證據證實。
太陽風對地磁場有壓縮的作用，太陽活動的強弱波動會導致地磁場形態的強烈變化。
圖15 地磁場被壓縮，地磁場朝向太陽的一側（日側）被太陽風壓縮，背對太陽，處於黑夜中的一側（夜側）的地磁場線被太陽風拉伸。形成地磁場形態的極不對稱的結構。
圖片來源：BBC Science Focus
五、結語
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造的。因爲它的存在，地球纔有了孕育生命和文明的可能。它保護着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