地磁场：“我裂开了？”

　　原作：Mara Johnson-Groh & Jessica Merzdorf

　　编译：李桦

　　校对：牧夫天文校对组

　　美编：李子琦

　　后台：库特莉亚芙卡 李子琦

　　原文链接：

　　https://www.nasa.gov/feature/nasa-researchers-track-slowly-splitting-dent-in-earth-s-magnetic-field

封面图：这张立体视觉效果图展示了一个简化版的地球磁场。地磁场阻挡了部分来自太阳的带电粒子，使地球免受其摧残。

图源：NASA戈达德航天中心

　　变化中的地磁异常区

　　地球的磁场像是这个行星的保护罩，它排斥或捕获来自太阳的带电粒子。然而，在南美洲和南大西洋存在着一片地磁场较弱的区域，叫做南大西洋异常区（South Atlantic Anomaly, SAA，后文简称为异常区）。异常弱的地磁场使得来自太阳的粒子可以到达更接近地表的高度，干扰甚至破坏在这个高度运行的卫星。这也是来自NASA的科学家们研究异常区的主要原因。

　　目前，异常区的存在对于生活在地表的我们没有影响。然而，近期对于异常区的监测发现该区域正在向西扩张，并逐渐分裂成两叶。这给卫星的运行带来了额外的挑战。一个由NASA的地磁学家、地球物理学家和太阳物理学家组成的研究团队，正在观察和模拟这个异常区。他们致力于更好地监测甚至预测异常区发生的变化，为未来的卫星任务保驾护航。

　　地磁场异常——源自地球深处

　　南大西洋异常区的形成是地核的两个特点造成的：地球磁极的倾斜和熔融的外地核的流动性。

　　地球的内部像是有一个条形磁铁，形成了地磁南北极和无数环绕着地球的虚拟的磁感线。但是，现实中的地磁场不能完美契合条形磁铁会形成的磁场，不仅如此，地磁场也不稳定。这是因为地球的磁场来源于2900千米深的外地核——熔融状态的铁镍合金。这些流动的金属像一台巨大的发电机，其产生的电流形成了地球磁场。

　　地球内部（尤其是核幔边界）复杂的地球动力学的变化会使外地核的运动发生改变，这同时会引发地磁场在时间和空间上的波动。波动蔓延至地表，就形成了包括南大西洋异常区在内的地磁特征。类似的特征还包括地磁南北极相对于地轴的倾斜和在大时间尺度上的漂移。这些变化和外地核的对流有着相似的时间尺度，科学家们在尝试用这些事实进一步解释地核的动力。

　　南大西洋异常区可以被理解成是一个地球偶极磁场遭到削弱的地区。在原有的地球磁场中加入一个与之磁极相反的本地磁场，就会使该地区总磁场强度比周围区域都要小。

　　范艾伦辐射带

当来自太阳的物质冲击地球的磁气圈时，它有可能被地磁场捕获并困在图中类似甜甜圈的区域。这个区域叫做“范艾伦辐射带”。粒子们被困在这个辐射带内，不断游走于两极之间。

图源：NASA Goddard / Tom Bridgman

　　太阳持续不断地以太阳风和日冕物质抛射的形式向四周喷射着粒子。当这些粒子冲击地球的磁气圈时，它有可能被地磁场捕获并困在一个类似甜甜圈的区域——“范艾伦辐射带”。粒子们被困在这个辐射带内，不断往返于两极之间。最内侧的辐射带离地面最近处也有650千米之遥，因此，位于地表的我们，以及许多卫星，都处于安全的距离。

　　然而，当太阳风暴过于强烈时，范艾伦辐射带可能会能量过大，地磁场也会发生形变。一些带电粒子会趁机进入大气层。

　　在上文提到的弱异常区，范艾伦辐射带的高度更低。近地轨道卫星（比如国际空间站ISS）在途经此地时面临着被辐射带中的带电粒子破坏的风险。因此，在经过异常区上空时，卫星通常会关闭一些敏感设备来规避风险。目前，NASA的科学家正在通过监控带电粒子的辐射和测量地磁场变化等多种手段，研究并预测南大西洋异常区的地磁场和该区域上空的范艾伦辐射带的变化，以保障卫星在未来的运行。

『天文时刻』 牧夫出品

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通过对一幅哈勃空间望远镜2005年拍摄的M51特写照片进行数字化变换，这个6万光年大小的旋涡星系的旋臂被伸展开来。

图源：Hubble  Heritage  Project