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新知 | 地球磁场——无形力量保护地球
2021/01/19 18:52  新华报业网  

  交汇点讯 2020年,美国国家航空航天局(NASA)科学家在发布研究报告称,他们发现并追踪到地球磁场中的一个奇怪“凹痕”区域,且该“凹痕”正在缓慢向西移动,穿过南美洲和南大西洋。根据地球磁场的测量,该区域的磁场强度较相邻近区域的磁场强回度弱,约是同纬度正答常区磁场强度的一半大小。因此,这一区域被称做南大西洋异常区。

  对此,不少网友提出“南大西洋的磁场异常会影响我们的生活吗?”等一系列疑问。本期《新华日报·科技周刊》,记者采访了南京航空航天大学理学院副教授李晋斌,揭开地球磁场的秘密。

  图片来源:视觉中国

  地球的保护伞——地球磁场

  “地球磁场与大家熟知的条形磁铁非常相似。想象一下,一个巨大的条形磁铁穿过地核,从一个磁极到另一个磁极。巧合的是,地磁的南极刚好位于地理北极附近,北极则位于地理南极附近。地磁的南北极并没有与地理上的南北极完全对齐,而是倾斜了11°。”李晋斌告诉《新华日报·科技周刊》记者。

  “有趣的是,尽管地球很巨大,但地球磁场的强度只有一台电冰箱压缩机启动时所产生磁场的两万分之一。不过这仍然足以保护我们免受来自太阳高带电粒子(俗称太阳风)和银河系其更多未知的有害辐射,并帮助我们的星球保持其大气层。”李晋斌指出。

  太阳风是一种等离子体,在地球磁场的作用下无法长驱直入前往地球,只能绕过地球磁场,继续向前运动。于是在地球周边就形成了一个被太阳风包围的、彗星状的地球磁场区域,这就是磁层。当太阳风被磁场所排斥到磁极两端后,又会与大气层产生反应,使大气层中的分子或是原子发生碰撞并释放能量,这时,美轮美奂的极光就出现了。

  同样,宇宙射线经过磁场时也会发生偏转,使得地球的大气层、海洋免于射线影响而挥发、消失,人类得以免受宇宙射线辐射,生命能够繁衍。

  “所以说,地球非常幸运,如果她没有被广阔的磁场所环绕,大气层的大部分组成或许早已会被强力的太阳风给刮走了。包括我们在内的地球上的所有事物就不可能存在了。”李晋斌说。

  有研究表明,在地球的邻居——火星早期的历史进程中,可能曾经拥有强大的磁场,使得那时的火星温暖湿润。只不过,当强大的磁场所剩无几后,这颗星球开始变得干燥贫瘠。

  图片来源 视觉中国

  过去的45亿年里,地球磁场曾多次倒转

  那么,南大西洋的地磁异常会给我们的生活带来影响吗?中国科学院国家空间科学中心在其微信公众号上说明了情况:南大西洋地磁异常区域,科学家发现和确认已经超过50年,而在这之前已经存在多年。目前没有任何证据或者可靠的理论说它会对我们人类的生活产生影响。

  在李晋斌看来,受磁异常的影响,来自太阳风的能量粒子以及宇宙线可以直接侵入高层大气,故而南大西洋磁异常区使得高能带电粒子的空间分布环境发生变化会导致电离层闪烁高发,从而对人类无线电波通信、导航等高科技领域都将产生较大的影响。由此看来,探究南大西洋异常区的电离层特性对于空间天气的研究很有意义。

  “与地球磁场异常相比,不少科学发烧友更关注地球磁场翻转的问题。”李晋斌表示。在地球内核中,有一个巨大的铁球,地球磁场也正是液态的熔融铁芯中运动电场的结果,由此带来的影响之一就是地球磁场偶尔会倒转。事实上,地球的磁极也一直在移动。在过去4个世纪里,南磁极(地理北极)在加拿大北极地区漂移了1100公里。英国科学家发现,在过去的几千万年中,地球磁场已经倒转过好几次。他们认为,至少在过去的7600万年中地球磁场至少反转过171次。上一次磁极翻转的时间为78万年前。

  与地表相比,地核处的磁场强度约为地表的50倍。在地球45亿年的生命周期中很可能都有磁场。只不过在地球的初生阶段,很可能整个地核都是液态的(现在的地球只有外核是液态的,而内核由于强压力而是固态的),这很就意味着地球早期的磁性可能比现在更强。“确切的说,我们尚不确定当时的地球磁场究竟有多强,但据信这种强大的磁场帮助地球在生命的早期就保持了大气层,这与火星在磁场消散时失去了大气层正好相反。”李晋斌表示,与1845年德国数学家卡尔·弗里德里希·高斯(Carl Friedrich Gauss)首次测量地球磁场强度相比,如今的地球磁场强度已经下降了约10%。

  “如果磁场进一步明显下降,则磁场可能会翻转。不过这个时候,也并不意味着世界末日的到来。”李晋斌表示,在地球漫长的历史长河中,地磁场曾发生过多次倒转,显而易见地球上的生命幸存了下来。因此,目前尚无证据标明地球磁场的再次倒转会造成生物灭绝性影响。“真正的危险是磁场完全消失。不过这对于现代人类来说,实在过于遥远。”

  未来,地球磁场飞行器会出现吗?

  千年前,人类已经利用地球磁场来导航,中国古代发明的指南针就是一例。在自然界中,还有更多生物都是地球磁场的“应用大师”。截止目前,科学家已发现约50余种动物(包括哺乳动物、鸟类、两栖动物、爬行动物、鱼类、昆虫)具备利用地球磁场为自己的活动进行导航的能力。大胆想象一下,未来,飞行器可以利用地球磁场来精准导航吗?

  李晋斌解释,地磁场之所以能用作导航,是因为地球上任意一点,都有唯一的磁场大小和方向与之对应,并且与该点的三维地理坐标相匹配,使它具有“向导”功能。

  地磁导航的原理,就是通过探测器实时获取地磁数据,与预先制作的地磁图或模型,匹配比对磁场大小、方向、梯度等信息,来实现导航定位功能。当然,也可采用地磁异常点或人工部署磁标等方式作为参照物,用来估算相对位置信息。

  “人类总是在探索未知中不断前行,把地磁场当作一个天然的‘坐标系’。利用地磁场来导航定位,一直是科学家们的追求。”李晋斌表示。随着大地测量、地球物理等领域的技术进步,使地磁导航技术获得了较快发展。基于重力场测量、地磁场测量等,更是得益于卫星导航等新兴导航技术的“助攻”。

  且由于卫星导航抗干扰性、保密性、可靠性脆弱,以及极区、深山、地下和水下等信号覆盖不全而影响使用等诸多问题,地磁导航方法开始逐渐受到人们的青睐。“特别是在战时卫星一旦受到攻击毁坏,很难短时间内修复,依赖于卫星导航技术的大量高精尖武器,将面临“失明”从而失去战斗力。”李晋斌补充说道。近年来,世界各主要国家正在大力发展不依赖于卫星信号的导航定位新技术。如利用多种来源的外界光、电、磁、重力等信号,来实现导航和定位。尤其是隐蔽性好、成本低、抗干扰、精度适中的地磁导航技术,逐渐成为导航定位领域的“新宠”,大有“前浪倒推后浪”之势。

  “曾有人设想通过增强地磁场来产生地磁场飞行器,不过,理想很丰满,现实很骨感。对于飞行器来说,通过地球磁场精准导航需要走的路还很长。”

  交汇点记者 叶真

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责编:顾志铭

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