你知道地磁場是如何保護我們的嗎?

太陽產生的高能帶電粒子從各個方向落在地球上。如果沒有地球的磁場,我們在地面上將不斷的輻射。情況輕一點身體健康會受到影響,更嚴重情況的是,長期撞擊將使大氣層受到侵蝕。帶電粒子比無質量粒子(如光)攜帶更多的動能,因此當它們撞擊空氣分子時,高能帶電粒子可以將空氣分子“踢”到太空中。這種情況可能已經在火星上發生過,有證據顯示火星曾經有過磁場和複雜大氣層,而現在卻沒有了(火星的大氣層密度大約為我們的1%)。

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電磁場法則#1“右手定則”:將手指指向帶電粒子移動的方向,將手指沿磁場方向彎曲,拇指指向粒子將轉向的方向。忽略沿著場指向的速度分量(您不必將手指沿著它們已經指向的方向彎曲),並且作用力與粒子的速度和磁場的強度成正例。


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由於一些眾所周知或無法考證遺失歷史的原因,電流(帶電粒子移動方向)方向表示為I,電磁場為B。作用於粒子的裡表示為F。在這種情況下,粒子向右移動,磁場將使其向上彎曲。

這適用於帶正電的粒子(例如質子)。如果你想知道帶負電的粒子(電子),那麼只需改變你所獲得的方向。 或者用你的左手。 如果磁場保持不變,那麼最終離子將被拉成一個完整的圓。

巧的是,地球有一個磁場,太陽以“太陽風”的形式向我們發射帶電粒子(從它所有方向),因此右手定則可以解釋我們看到的大部分現象。地球的磁場從南到北穿過地球的核心,然後在地球表面上從北向南彎曲並進入太空。因此,從太陽飛向我們的正粒子被推向西方,負粒子被推向東方(右手定則)。

由於地球磁場離地面越近強度越強,因此粒子越接近地面,它就轉向越快。因此,入射粒子的路徑在地球附近彎曲,並在很遠的地方伸直。這是一種令人驚訝的方式,可以讓粒子的軌跡轉得足以讓它回到場的較弱區域,在那裡軌跡伸直並將其帶回太空。地球的磁場在不同的區域強弱不同,射來的帶電粒子能量也有強弱,因此有一小部分進入大氣,並與大氣碰撞。只有宇航員需要擔心被太陽風中的粒子直接擊中,而我們其他人只會受到從高層大氣中的那些高能相互作用中剩下殘餘的影響。

如果電荷移動方向與磁場方平行而不相交,則它根本不會被推動。在磁北極和南極磁場周圍,磁場直接指向地面,因此在那些區域,來自太空的粒子可以自由下落,與大氣中的原子和分子碰撞並激發。能量釋放產生的光芒形成圍繞著磁極的大圓圈。實際上,極光就是這樣形成的。大多數科學家都覺得極光很“漂亮”。


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來自太空的帶電粒子沿著磁場線進入高層大氣,在那裡它們轟擊局部物質。綠色表示局部物質中的氧氣。

地球的磁場不僅僅是偏轉離子或將它們引導到極點。當電荷加速時,它會發出光線,轉過一個角度只是朝著新的方向加速。這種“制動輻射”減緩了電荷產生了它(這是極光激發而不是滅菌的重要原因)。如果離子減速到足夠的速度,它就不會逃回太空,也不會撞擊地球。取而代之的是,它們在我們上方數千英里(除了我們的南極讀者之外)一直遵循右手定則,會被卡在磁力線中移動。


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磁層結構:(1)弓形震波、(2)磁鞘、(3)磁層頂、(4)磁層、(5)北磁尾腔、(6)南磁尾腔、(7)等離子層

這種現象是叫做“磁約束”,它將移動的帶電粒子捕獲在其中。地球周圍的環狀電流是範艾倫輻射帶。 隨著時間的推移,離子會在那裡積聚(它們最終脫落)並且仍然移動得非常快,使那裡成為高精度電子設備和宇航員的危險場所。順便說一句,範艾倫輻射帶是唯一已知的含有反物質的地方。如果你只是將反物質放在一個罐子裡,你就冒著它接觸罐子的常規物質並泯滅的風險。


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用於描述磁場的兩種常用座標系


但是罐子中的離子如果從不接觸任何東西,那個離子恰好是反物質,那麼好,沒問題。事實證明,範艾倫輻射帶在產生反物質方面很糟糕,其中大部分物質是在高層大氣中的高能碰撞中產生的(它基本上是一個粒子加速器)。反物質並不危險或其它怎樣。

當一個單獨的,超快速的輻射粒子擊中你時,它是不是由反物質構成的,它並沒有太大的區別,因為它的量很少。約160納克,(與160納克普通物質相結合)產生與7千克TNT相同的能量。 你不會想在一個地方遇到這麼多反物質,但仍然不要太”杞人憂天”。


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在實驗室模擬的範艾倫輻射帶。

最後囉嗦一句題外之言,這張照片精美地總結了科學過程:構建一個東西,看看它能給人帶來什麼結果。

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