你抬头，看见信鸽成群从天空飞过，没有指向标的他们怎么认识来去的路？你低头，看见指南针指示着南北，精确的方向标识能力是如何形成的？太阳给大地带来光明，但仅仅只有这可见的光在影响着地球么？地球的表面上磁场充斥在你踏过的每一寸土地，仰望的每一片星空，你的日常受他支配受他庇佑。但这强大且无形的地球磁场还要受着太阳这个太阳系霸主的影响！多么神奇和惊人啊！让我们一起来了解下看不见的地球磁场。
磁场的发现史
人类发现磁场的历史可以追溯到古代。早在公元前600年左右，古希腊人就注意到某些铁石会被磁化吸引铁等物体，这是磁场的早期发现。古希腊哲学家托弥勒（Ptolemy）在他的著作《大阿尔克显微镜》中也描述了磁石的性质。到了欧洲中世纪时期，人们开始使用磁石制作指南针用于导航。在16世纪，英国科学家威廉·吉尔伯特（WilliamGilbert）对磁铁进行了系统的研究，并在他的著作《磁石，磁体和地球的磁性》中详细描述了磁性的性质和现象。
随着人类对地球形状建立起更完善的认知，对地球的磁场研究和探索也开始逐渐深入。19世纪40年代，德国物理学家卡尔·弗里德里希·高斯（Carl Friedrich Gauss）和威廉·韦伯（Wilhelm Eduard Weber）开始对地球磁场进行测量，并发现了磁场的强度随着地理位置的变化而变化。他们还建立了一些磁场观测站来进行长期的观测和记录。人类进步的第一驱动力——好奇心，驱使着我们发现了种种磁场现象，并且开始苦苦探索原由。19世纪60年代，英国物理学家约翰·科克罗夫特（John Scott Russell）和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）提出了地球内部存在一种液态导体，可以产生地球磁场的理论，并预测了磁场的变化和磁极的移动。
在20世纪初，德国物理学家克里斯蒂安·布尔拉赫（Christophorus Buys Ballot）首次提出了地球磁场与日冕物质（日冕是太阳大气层的一个结构，日冕物质就是太阳大气中的成分物质）的关系，并发现了磁暴的周期性变化。20世纪30年代，美国地球物理学家理查德·范德格拉夫（Richard Van Der Groot）和理查德·托兰德（Richard Thurlow）开始在南极建立磁场观测站，并得到了地球磁场在高纬度地区的更准确的测量结果。
今天，地球磁场的测量和研究仍在继续，并且磁场观测站已经遍布全球，携带相关仪器的卫星也在地球附近的各个轨道检测，遮羞手段都成为了研究地球磁场和空间天气的重要工具。
地球磁层磁场的结构
经过长期的观测研究，我们已经了解到，地球磁层是由地球内部的液态外核中的运动电荷所产生的磁场和地球周围的太阳风等带电粒子相互作用所形成的。这些冰冷的文字十分的晦涩难懂，你不妨拿一颗生鸡蛋，轻轻的敲碎，假设让蛋清和蛋黄流进一个刚好可以装满的玻璃球里，注意！一定不要弄破蛋黄哦！现在你就开动自己丰富的想象力，想象这蛋黄就是地球，核心有铁和镍，所以周围包裹的蛋清液体就好像是这个内核产生的磁场，尽职尽责的包裹这颗蛋黄地球。然后接着想象装着鸡蛋的玻璃球消失了，只剩下里面的鸡蛋还在，而且依旧保持这刚才的状态，然后你拿起手边的吹风机，轻轻的吹动，蛋清被吹的向相反方向在蛋黄背着吹风机的一面形成了小圆柱，而正对着吹风机一侧则形成了一个子弹头的形状。哦！你明白了么？这个吹风机吹出的风就可以类比作太阳风（但是吹风机吹出的风和太阳风的成分可是区别很大哦，太阳风中也有来自太阳的磁力线，这些磁力线可以和地球磁层的磁力线相互作用，让地球磁层的磁力线被拉伸或者压缩），而蛋清就是地球的磁层，他的形状受到了太阳风的影响！当然这个类比并不完全准确，但是却可以让你先对地球磁场的形状有一个大致的想象。
地球磁层可以延伸到地球空间中，受太阳风的作用，地球磁场又被限定在特定的区域中，该区域被称之为磁层。太阳风使向阳侧的磁层被挤压成钝形的子弹头形状（磁鼻），而将夜侧的磁层拉伸成一个长的圆柱形（磁尾）。
地球磁场的磁力线有闭合的也有开放的。闭合的磁力线指的是从地球的地面延申出来最终又回到地球表面，而开放的磁力线指的则是从地球表面出发然后延申到行星际空间中。如果用磁力线来描述地球的磁层结构形状那么可以看到地球外部的磁场形态大致有三种结构。
第一种叫内磁层，地球内部的核心由熔融的铁和镍组成，铁镍物质的运动产生了一个大约相当于地球半径的磁场，这个磁场是地球总磁场的主要来源，被认为是稳定的。他们产生的磁力线是偶极磁力线，与地球表面有两个交点，这些磁力线所在的区域被称为是内磁场。
第二种结构是那些开放的磁力线所在的区域对应的部分，这些区域对应于外磁层或者远磁层。
而第三种结构是在内外磁层中间。这部分区域广阔并且多变，其磁力线是闭合的，被剧烈拉伸。许许多多有趣的空间天气动力学过程都发生在中磁层区域。
如果我们把地球以及地球的磁层想象成一个饱满的洋葱，一层一层的拨开他的心，每层地磁结构就可以清晰的展现在你的眼前。当来自太阳的太阳风吹来，将这颗地球磁层洋葱挤压成为一个有着圆柱形尾部结构的类似锥形洋葱球，然后这双太阳风无形手剥离着与其接触的地球外磁层磁力线，这一片又一片的洋葱瓣一样的磁力线向着地球夜侧的远处延申。靠近地球内部的磁力线在日侧被压缩，在夜侧被拉伸挤压。这便是中，内磁层。
磁层的详细结构肯定不止止于这粗略的三大类分类，就好比你身体里的每一个器官下都还会有精细的结构和组织。随着知识的积累和对科学的理解，这些太空中的秘密终将会在你的脑海中浮现。
内磁层
我们用闭合的偶极磁力线覆盖的区域标定为内磁层，那么内磁层里到底有什么呢？在人类的飞天之旅中，各个国家的科学家们或偶然或必然地收获了各种各样需要的知识，其中很重要的一点就是发现了在天空中的等离子体。等离子体作为物质的第四态一直是个抽象的概念，但其实他们藏身于街道路旁五彩缤纷的霓虹灯里，委身于科学实验室高高低低电压的实验仪器中。你不妨把他们想成一团被电离的气体，正负电荷分开但又没有完全分开，在洛伦兹力和库仑力的作用下相互纠缠行成了一团剪不断理还乱的组织，所以科学家们总是用一团作为单位来研究他们，当然有时也会很细致的一颗一颗的来探索。
内磁层中磁力线是闭合的，包含两种完全不同的等离子。所以区分为等离子体层和辐射带。这两个区域是交叠在一起的。等离子体层的等离子体是温度较低的冷等离子体，通常用温度和数密度来描述表示。另一个辐射带区域的等离子体是温度较高的等离子体，包含两种非常稀薄的高能粒子，通常用能量和通量来描述。在平静时期，他们基本不相互作用，保持良好的秩序，相安无事。
等离子体层（plasmasphere）是电离层（地球中高层大气的结构）向外的延伸，其外边界通常在地球同步轨道附近。这种具有圆环形态的闭合磁力线区域包含了从地球电离层中逃逸出来的稠密、相对冷的、低能量的等离子体。我们将等离子体层视为一个独立的实体，含有丰富的等离子体。名义上来讲，电离层-等离子体层之间的边界大约在1000km 高度处，虽然之间的过渡并不是很明显。在地球的夜侧，等离子层顶（plasmapause）将等离子体层和等离子体片分开。冷等离子体冻结在地球磁场中，并随其一起旋转。这意味着等离子体层以近似刚体运动的方式与地球一起共转或漂移。等离子体层顶是共转运动停止的边界。
辐射带占据了等离子体层的大部分区域。为什么还要使用一个不同的名称呢？因为辐射带粒子的能量很高，对探测器和当地环境有着非常不同的影响。我们于1958年认识到这种现象。当时美国第一颗人造卫星Explorer1搭载的盖革计数器探测到了辐射带中MeV能量范围的高能粒子。随后的卫星任务收集了大量的辐射带粒子数据，发现两个类似甜甜圈形状的区域环绕着地球，里面存在着被束缚的电子和质子。这些“带”基本处于等离子体层中，并以范艾伦的名字命名，因为他第一个向公众阐述了这些高能粒子的重要性。范艾伦辐射带中的粒子通过多种物理过程被束缚在它们各自的区域里。
外磁层
那些开放的磁力线所在的区域对应的部分我们定义为外磁层。外磁层的结构相当的丰富，绚丽的极光和一些空间天气现象也都会与之有关。
极隙区（polar cusps）将地球向阳一侧的磁力线和被拉伸的磁尾磁力线分隔开来。极隙区处于高纬区域，在这里磁力线向外延伸、基本上与磁层顶相互垂直。极隙区的磁场非常微弱，对于太阳风来讲，极隙区并不是一个屏障，更像是一个漏斗状通道。当太阳风进入极隙区之后，它们将沿着磁力线流向地球。通过极隙区，高速的带电粒子将在中心磁纬度约75°狭窄区域中轰击高层大气。这些粒子同样也可以与磁力线相互作用产生电磁波，并以热能的形式耗散掉。极隙区充当了一个局地粒子加速器的作用，为非常远的区域提供高能粒子。许多粒子都是在极隙区这个狭窄的通道中获得能量。一些粒子被加速之后，沿着碰力线逃逸，成为磁尾所存储粒子的一部分。
在等离子体层和辐射带以外是一个包含相对热，稀薄等离子体的区域称为等离子体片（plasmasheet）。等离子体片的厚度和数密度是变化的共存在太阳风等离子体和地球等离子体。等离子体片连接着内磁层区域和外磁层区域。这种连接在磁层能量重新分配过程中起到了重要的作用。在等离子片和磁尾尾瓣之间很薄的区域叫做等离子体片边界层（plasmasheet boundary layer），是大多数极光事件的源。同步轨道卫星有一部分时间在该区域中运行，暴露于热等离子体中。这些热等离子体可能附着于卫星表面，也可能沉积到卫星内部。离子体片中有一个很薄的中性电流片将等离子体分开。中性电流片的名称起源于其所处区域的磁场是“中性的”即该区域中南北半球磁场相互抵消。
等离子幔（plasmasheet mantle）：磁尾是与极隙区相连的尾部区域。与极隙区相比，磁尾的磁场更强，它像是一个屏障，部分阻挡了磁鞘中的太阳风进入磁层。一些太阳风粒子被磁尾边界增强的地磁场所束缚，这些被束缚的等离子体所在区域即为等离子幔（plasmasheet mantle），其厚度约为几千米。
尾瓣（lobes）：在南北半球等离子幔以内是磁场尾瓣。在尾瓣磁力线上存在少量的等离子体，它们来源于电离层中逃逸出来的
低温等常子体，尾瓣的磁力线发源于南北半球极区。在该区域中，磁场足够强，能够产生足够的压力以避免磁层自身塌陷。在尾瓣上半（北半球）部分，磁场的方向朝着地球，在尾瓣下半（南半球）部分，磁场的方向背向地球。只要太阳风相对稳定，尾瓣将处于平衡状态。
关于磁场的介绍就到这里，但我们对地球与宇宙的探索还离尾声很远。正在阅读本文的你从呱呱落地开始，便是生于地球这颗独一无二的星球上的一个独一无二的你。也许你曾在夜幕下抬起头望着天听《夜空中最亮的星》，也许你曾捧着《小王子》畅想宇宙那头有颗长满了猴子面包树的星球，也许你在电影院里看着《流浪地球》泪流满面，也许你从未失去对未知渴求的心……宇宙很大，未来很长，期待一起出发，探究地球磁层以及其他更多的寰宇奥秘。
本文为科普中国·星空计划扶持作品
作者：习心悦
审核：张玉修 中国科学院地球与行星科学学院 地质学副教授
出品：中国科协科普部
监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司
监制：星空计划
扫码下载APP
科普中国APP
科普中国
科普中国
京公网安备11010202008423号