「科学·航天」地磁场,我们地球家园的保护伞

我们的太空

发布时间: 20-04-0122:24航天新媒体矩阵

茫茫宇宙,浩瀚太空,无数星球运行在各自的轨道上,熠熠生辉。地球,在其四十多亿年的生命历程中,不仅安全平稳运转,而且还孕育了人类文明。地球之所以有今日生机盎然的繁华景象,并保护人类世代繁衍生息,地磁场是一个不可或缺的因素。

一、地磁场的概念

地磁场是地球周围空间分布的磁场,磁场虽然看不见、摸不着,但是磁性是物质的基本属性,磁场是物质存在的一种重要形式。磁场是最熟知的自然现象之一:从指南针、磁铁、磁卡、磁化杯、医用核磁设备到磁悬浮列车;从蜜蜂、信鸽、……到人类肌肤;从地球、太阳、……到星际空间,磁场几乎无处不在。

地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分。基本磁场也叫正常场,是地磁场的主要部分,占地球磁场的99%以上,它起源于固体地球内部,是一种内源磁场,比较稳定。变化磁场包括地磁场的各种短期变化,主要起源于固体地球外部,相对比较微弱。地球磁场强度大约是0.5-0.6高斯,也就是5-6×10-5特斯拉(T)。

地球磁场的磁南极大致指向地理北极附近,磁北极大致指向地理南极附近,磁轴与地球自转轴的夹角约为11。磁力线分布特点是赤道附近磁场的方向是水平的,两极附近则与地表垂直。赤道处磁场最弱,两极最强。

地球磁场

地球表面的磁场受到各种因素的影响而随时间发生变化,不仅强度不恒定,而且磁极也在发生变化,每隔一段时间就要发生一次磁极倒转现象。在过去的7600万年间,地球曾发生过171次磁极倒转,距今最近的一次发生在70万年前。

二、地磁场对于地球的重要性

在地球周围被太阳风包围并受地磁场控制的区域,是地球磁层。它是地磁场控制区域的最外层,也是直接承受太阳风扰动的区域。地球磁层位于距大气层顶600-1000km高处,磁层的外边界叫磁层顶,离地面5-7万公里。在太阳风的压缩下,地球磁力线向背着太阳一面的空间延伸得很远,形成一条长长的尾巴,称为磁尾。

地球的磁层是保护地球的一道天然屏障,它阻挡着能量很高的太阳风粒子直接到达地球表面,从而保护了地球上的人类和动植物。另一方面,磁层是一个巨大的天然实验室,可以用来进行地面实验室无法实现的等离子体科学实验。

如果地球磁场消失,这种看似简单的变化将会给人类和地球上所有生命带来严重后果,一些由此产生的效果会变得非常奇怪,而其他的后果将是灾难性的。

(一)指南针失灵

指南针实际上只不过是微小的磁铁,而且像所有磁铁一样,它们都与附近磁场相结合。如果磁场消失,指南针会指向任何附近的磁性源。例如,在中非共和国,地球的磁场变化导致指南针指向随机方向,使他们无法导航。如果我们星球的磁场消失,“漫游罗盘”就可能成为全世界的常态。

(二)动物无法迁徙

人类并不是唯一利用地球磁场来导航的动物。许多鸟类、海龟、龙虾、蜜蜂、鲑鱼甚至果蝇都有生物罗盘。如果地球磁场消失,许多依赖罗盘导航的动物可能会遇到严重的麻烦。海龟真的可能在海上迷路;候鸟可能会飞向错误的方向,威胁着他们的生存;蜜蜂可能会迷路,无法找到它们的蜂巢,这也将影响花和其他植物的授粉。由于它们的导航能力严重受损,许多生物可能会面临灭绝。

(三)极光发生变化太阳在不停释放出带电粒子或者离子流,形成太阳风,冲击着太阳系中的每一个天体,正是地球磁场阻挡或减弱了太阳风的袭击。太阳风本身就是一种带电粒子,当射向地球时,地球磁场会使得这些带电粒子发生偏转,但是围绕着南北两极,磁层就像漏斗一样向内倾斜,因此,磁场对赤道的保护较好,对两极的保护较弱,人们常常在南北极看到的极光就是这样来的。

如果没有地球磁场,整个大气层就会暴露于太阳风中,完全改变了极光可能出现的方式。因此,随着我们极地天空的改变,磁场的消失将永远抑制地球上最惊人的自然奇观之一。

(四)宇宙射线直接到达地球表面

地磁场是地球的第一道保护屏障,太空中大量的宇宙射线,对地球上的人类和各种生物都有严重的危害,是地球的磁场屏蔽了这些高能的射线。宇宙射线和太阳风对地球上的生命是有害的,如果没有磁层的保护,我们的星球将不断受到致命粒子的轰炸。宇宙射线对人体的影响可能相当可怕。例如,在月球任务中,宇航员们经常报告说,他们闭上眼睛时看到了闪光——这是宇宙射线穿过他们的视网膜的直接结果,一些人甚至在几年后患上了白内障。

如果地球磁场消失,整个人类(事实上,所有生命)都将处于严重的危险之中。宇宙射线会轰炸我们的身体,甚至会破坏我们的DNA,增加全世界患癌症和其他疾病的风险。

(五)大范围停电和卫星损坏

人类健康是一个问题,但如果没有地磁场,我们的技术也将面临危险。一些卫星受到损坏,因为它们精致的电子设备根本无法应对巨大的太阳风暴,许多卫星在耀斑发生后几个小时内就失去了控制。我们的电网将比以往任何时候都更加脆弱,甚至我们的计算机和其他电子产品也可能遭受太阳风暴的破坏。

(六)大气层剥离

也许失去地球磁场最可怕的影响可能是失去我们呼吸的空气——太阳风将再次成为罪魁祸首。太阳的自然风是如此强大,它可以轻易地将气体从行星的大气中分离出来,直到几乎没有气体残留为止。

要知道火星可能曾经很像地球,有着海洋和厚厚的大气层,其表面大气压相当于地球大气压的30%左右,但与我们的星球不同,它的磁场在数十亿年前消失了。它的大气层完全没有保护,导致它被撕裂到太空中,如今火星表面大气压只相当于地球表面大气压的0.8%。可见地球磁场对地球大气层的保护作用有多么巨大,如果地球的磁场减弱为平时的20%,那么遇到强烈的太阳风暴,地球大气层高层中的大气将会被吹走一部分,使得地球大气层变得稀薄一些。一旦大气气压降到足够低,地球上的液态水就会开始蒸发,直到它又被太阳风带走。慢慢地,地球表面上的水将会消失殆尽。所以,没有磁场,也就没有大气,没有大气,也就没有液态水,因此地球就不再是一颗蓝色的星球,无法诞生并维持生命。

不过,失去磁场给地球带来的变化并没有结束。在地球上水资源全部蒸发殆尽之后,海洋板块就会蠢蠢欲动,而与之相对的是陆地板块、特别是高原地区的地壳压力会变显得尤为突出,此时整个地球的地壳将会失衡,板块活动便接踵而至。

问题远没有这么简单,巨大的板块活动,会导致一系列自然灾害的出现。火山地震连绵不绝,整个地球的地貌都会经历翻天覆地的变化,生灵涂炭、万物俱灰,当一切都重新归于沉静之后,地球早已物是人非。

三、地磁场探测的技术手段

根据测量平台进行划分,目前的地磁场探测技术手段主要包括卫星磁力、航空磁力、海洋磁力和地面磁力测量等。每种技术手段获取不同频段的地磁场信息,相互之间密切配合,才能构成完整的地球磁场。

(一)地磁台站观测

地磁台站观测是在固定点进行长时间、连续记录地磁场随时间的变化,并维持精确的绝对测量标准,是定点获取地磁场及其长期变化信息最有效的技术手段。

地磁台一般选在远离城镇、厂矿等产生人为电磁干扰的地方,通常建有一个绝对观测室及一个相对记录室。

(二)地面磁力测量

地面磁力测量是利用磁力仪在地面上进行的地磁测量。地磁测点的分布要求尽量均匀,并应设在磁场均匀、没有人为干扰的地方。测点的经纬度是通过天文观测确定的。

在所有的地磁测量中,陆地磁测资料的精度最高,它不仅可以用来研究地磁场及其长期变化,而且也为研究固体地球物理学、地质和地球物理勘探中的某些问题提供重要的依据。

(三)海洋磁力测量

海洋磁力测量是以船只为平台,搭载磁力仪及定位定姿设备在海洋上进行的磁力测量。主要有三种形式:一是在无磁性船上安装地磁仪器;二是用普通船只拖曳磁力仪在海洋上测量;三是把海底磁力仪沉入海底进行测量。

海洋磁测资料对编制地磁图以及研究海洋地质和海底资源都有重要的作用。海洋磁测发现了海底条带状磁异常,为板块构造学说提供了重要依据(见板块大地构造学说)。

(四)航空磁力测量

航空磁力测量是以飞机或高空气球为平台,搭载磁力仪及定位定姿设备进行的磁力测量。航空磁测可分为两种类型,一种是用磁通门磁力仪,或质子旋进磁力仪,或光泵磁力仪测量地磁场的总强度(标量);另一种是用磁通门分量磁力仪,或质子旋进分量磁力仪测量地磁场的各个分量(矢量)。

航空磁力测量技术,因其具有测量效率高、获取信息量大、不受地形地貌限制、覆盖面宽等优点,是快速经济地获取精度高、分布均匀、大面积地球磁场数据最有效、最快捷的技术手段。

(五)卫星磁力测量

卫星磁力测量是以卫星为平台,搭载磁力仪及定位定姿设备进行的磁力测量。卫星磁测技术发展迅速,最初只是当卫星飞过地面接收站上空时,卫星才发射信息,目前已使用记忆装置,能获得整个卫星轨道上磁场数据。

通过卫星磁力测量,人们在很短的时间里,就能取得整个地球磁场的资料。根据卫星磁测资料,可以建立全球范围的地磁场模型,研究全球范围的磁异常,并可以研究地磁场的空间结构。

四、地磁场的应用

地磁场具有非常重要的国防和科学用途,主要包括地磁辅助及匹配导航、地磁定向、地震监测及预报、地磁发电、地磁探矿、磁动力等。

五、结束语

随着人类太空科技的不断提高,一定可以揭开地球磁场的神秘面纱,一旦破解了地球磁场的运转原理及更深的机密,或许人类就可以真正踏入星际文明。

来源:我们的太空知乎

作者:刘晓刚

编辑:王艳梅

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