是不是应该重新解释极光现象！？

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是不是应该重新解释极光现象！？

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有谁能搞清楚这图是地球的哪一部分？我弄了好久还是没有弄清楚！
这图可以点大。

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天幕上的魔幻舞者──極光   

本文經過部分修改刊載於「大地地理雜誌」2001年四月號

陳文屏
中央大學天文所與物理系

在極區的天空，可以看到大自然最絢爛的極光美景，這些從天而降的繽紛光簾，有時變幻詭譎，有時靜止沈潛。筆者幾年前曾經在飛越北極區的飛機上，看過難忘的奇景。到底極光是什麼東西呢？造成極光的原因是什麼？要敘述這一幕美麗場景的劇情，得把鏡頭拉出北極、拉出地球，從一億五千萬公里之外的太陽說起。

太陽是團高溫的氣體。在中央區域溫度極高，足以讓氫氣融合在一起，產生核反應，形成氦氣而釋放出能量，這些能量以輻射與對流翻騰的方式向外傳播，越到外層氣體越稀薄，溫度也越來越低。最後，溫度降到約攝氏五千多度，氣體稀薄到能量以光的形式釋放出來，射向四周太空。少部分的光照射到地球，提供了生命所需的光與熱。

但是太陽發出來的不只是光線而已。

我們平常能夠用指北針辨識方向，是環繞在地球四周的磁場造成的。太陽也和地球一樣，有如南北向的大磁鐵，太陽表面也佈滿了磁場，高溫的氣體彼此高速碰撞，多半已經分解成帶電粒子，偶而會沿著磁場向外拋射（圖一），部分掉回太陽，部分則脫離太陽的萬有引力而拋射向太空，成為太陽風。組成太陽風的帶電粒子以高速運動，瀰漫在整個太陽系裡，連遙遠的冥王星都在太陽風的勢力範圍之內。

這一天，太陽表面局部磁場結構忽然發生異常變化，一股巨大能量從表面噴出，剎那間氣體劇烈翻騰，直向上衝。這股高能量氣體以每秒數百公里的速度向外噴射，這個速度相當於百萬公里的時速，也就是約一秒鐘就能從台灣最南端走到最北端。這些高速氣體將於兩、三天後抵達地球，而同時離開太陽的光線行走的速度更快得驚人，以每秒30萬公里的速度只花了8分半鐘就已經率先到達地球了。
  


觀察彗星可以明顯看到太陽風的效應。當彗星接近太陽時，冰體蒸發受到太陽風的吹襲，便在背向太陽的方向（下風處）拉出迤邐億萬公里的彗星尾巴。除了來自太陽以外，太空中還有其他高速帶電粒子，稱為宇宙射線，這些粒子具有很大的破壞力，因此太空船必須要有完善的遮蔽，以保護太空人及儀器。當太陽風吹到地球時，要是地球沒有大氣層與磁場的保護，像是水星及月球那樣，以致於這些粒子直接侵襲地表，會讓地表的生物毫無生存機會。幸好地球得天獨厚，擁有這兩項護身法寶。

太陽風吹向地球時，被地球磁場（如圖二）改變方向，而侷限在赤道上方兩個輪胎狀範圍內，稱為「范艾倫輻射帶」（圖三），乃為紀念美國物理學家詹姆斯‧范艾倫於1958年首先發現此區域而得名。內層范愛倫帶從地面算起2000公里高空延伸到約5000公里，主要包含了質子，而外層范愛倫帶則從約10,000公里延伸到22,000公里高空，主要含了電子。

當帶電的粒子進行的方向與磁場垂直時，粒子會受到磁力作用，而繞著磁場轉圈，而若是粒子沿著磁場方向行進，則不會感受到磁力。所以，若帶電粒子與磁場斜向交會，粒子便會沿著磁場螺旋前進。    帶電粒子行進若與磁場垂直，會繞圓圈運動 。帶電粒子通常斜向入射，因此會以螺旋方式沿著磁場運動。

　
　
　
　
　
　
　
　
　

  

　

地球怎麼會有磁場呢？一般相信地球的磁場並非來自一大塊磁鐵，而是來自地球內部的電流。地球中心溫度、壓力都極高，物質成流體狀態，受到對流的驅動，而產生電流，因而產生磁場，就如同通電的電線周圍會產生磁場一樣。計算顯示這些流體差不多50萬年左右會倒轉方向運動，造成地磁方向反轉。由於火山岩漿冷卻後，會保留當時磁化的訊息，測量百萬年前的火山岩層發現其磁化方向與現今相反，而兩百五十萬年前的火山岩層其磁化方向則與現在相同，這表示地球過去確實發生過磁場倒轉的現象。

   
  
  
  
  

   

  

  

有時候粒子會從范愛倫帶滿溢出來，沿著南北磁極衝進地球高層大氣，將地球本身大氣裡的氣體激發而發光，這就是極光。從太空看極光的分布常呈圓環狀（圖三）。對於地面上的觀測者，在接近極區處，由於磁場幾乎垂直地面，因此極光如垂簾般由天而下，一般則可以是斜向分布。極光的變化多端，除了大氣不同的成分會激發產生不同顏色外，有時虛浮飄動像是太極舞者，有時靜止不動像是入定老僧，有時垂天撒下像是舞台上的彩花道具，有時絲條飄盪有如名伶提袖，是地球大氣劇場最魔幻的演出。

圖三

  

極光發生在150～400公里的高空，也就是地球大氣的電離層。綠色的光芒主要來自發光的氧氣，而紅色則來自氫氣。氣體受激發而發光的原理，與平常的日光燈是一樣的。大氣中的氣體被衝擊後，會繼續撞擊，而相繼產生一批又一批高能量的粒子。當太陽表面異常活躍時，太陽風特別強烈，極光也比較明顯而豐富，甚至在地面中、低緯度都可以看得到。大規模的帶電粒子襲擊地球，會影響電波通訊，對人造衛星甚至供電纜線造成破壞。

  

極光的成因來自太陽風與行星磁場的交互作用，因此不是只有地球上才有。木星與土星與太陽的距離是地球離太陽的5倍與10倍，由於它們磁場強，在南北兩極也可以觀測到明顯的極光現象（圖四）。

  

圖四：土星兩極也有極光現象。

極光的英文為polar light，學名為aurora，取自羅馬的曙光女神。地球的磁場與大氣層隔絕了來自太空的有害高能粒子，我們與蒼生萬物受到了保護卻毫無所知，錯綜的天地交會只在天幕上展現令人嘆為觀止的幻化奇景。在物理與化學知識背後，我們除了感嘆萬物之妙，並沒有因為明瞭箇中道理而損害了欣賞的心情，而只有慶幸的感恩情懷。

陳文屏 2001.03.09
感謝中大天文所姜博識與陳錦威幫忙準備部分圖形檔案。

zengzhangang

或许极光现象和静电有关系。
估计电离层中的气态物质受到太阳风压迫后会出现压磁效应、压电效应而产生弱磁场和静电并形成变幻的静电发光。是否真是这样，则还未有作充分的论证，仅是猜想而已。
我隐约感觉到压磁效应、压电效应可以使到万有引力和磁场力相互连接，在破解磁场力成因中有很重要的提示作用。
在假期，实地考察了煤矿和山脉，感觉地震成因确实相当复杂。地震和磁场力有关系，还和山的形成有密切关系。
整体地震成因离不开万有引力、磁场力。虽然已经胸有成文，但文中要挑战一些传统观念，离最后写成还有相当长的距离，。
如果能够写成，读者就可以看到地震和磁场变化的关系、地震和太阳黑子爆发的关系、深层地震和浅层地震的关系。现在的各种地震理论都有一定道理，或多或少地反应出整个孕震过程的部分过程。
搞清整个孕震过程，人们就不必再为哪个理论才是正确而争论不休。

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4# zengzhangang
在假期，实地考察了煤矿和山脉，感觉地震成因确实相当复杂。地震和磁场力有关系，还和山的形成有密切关系。

我陪床陪了一个多月了。老爷子98，费劲费大了。

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人们知道极光至少己有2000年了，因此极光一直是许多神话的主题。在中世纪早期，不少人相信，极光是骑马奔驰越过天空的勇士。在北极地区，因纽特人认为，极光是神灵为最近死去的人照亮归天之路而创造出来的。随着科技的进步，极光的奥秘也越来越为我们所知，原来，这美丽的景色是太阳与大气层合作表演出来的作品。

　　产生极光的原因是来自大气外的高能粒子（电子和质子）撞击高层大气中的原子的作用。这种相互作用常发生在地球磁极周围区域。现在所知，作为太阳风的一部分荷电粒子在到达地球附近时，被地球磁场俘获，并使其朝向磁极下落。它们与氧和氮的原子碰撞，击走电子，使之成为激发态的离子，这些离子发射不同波长的辐射，产生出红、绿或蓝等色的极光特征色彩。在太阳活动盛期，极光有时会延伸到中纬度地带，例如，在美国，南到北纬40度处还曾见过北极光。极光有发光的帷幕状、弧状、带状和射线状等多种形状。发光均匀的弧状极光是最稳定的外形，有时能存留几个小时而看不出明显变化。然而，大多数其他形状的极光通常总是呈现出快速的变化。弧状的和折叠状的极光的下边缘轮廓通常都比上端更明显。极光最后都朝地极方向退去，辉光射线逐渐消失在弥漫的白光天区。造成极光动态变化的机制尚示完全明了。 在太阳创造的诸如光和热等形式的能量中，有一种能量被称为"太阳风"。这是一束可以覆盖地球的强大的带电亚原子颗粒流，该太阳风在地球上空环绕地球流动，以大约每秒400公里的速度撞击地球磁场，磁场使该颗粒流偏向地磁极，从而导致带电颗粒与地球上层大气发生化学反应，形成极光。在南极地区形成的叫南极光。在北极地区同样可看到这一现象，一般称之为北极光。

　　大多数极光出现在地球上空90---130千米处。但有些极光要高得多。1959年，一次北极光所测得的高度是160千米，宽度超过4800千米。在地平线上的城市灯光和高层建筑可能会妨碍我们看光，所以最佳的极光景象要在乡间空旷地区才能观察得到。在加拿大的丘吉尔城，一年在有300个夜晚能见到极光；而在罗里达州，一年平均只能见到4次左右。我国最北端的漠河，也是观看极光的好地方。

　　18世纪中叶，瑞典一家地球物理观象台的科学家发现，当该台观测到极光的时候，地面上的罗盘的指针会出现不规则的方向变化，变化范围有1度之多。与此同时，伦敦的地磁台也记录到类似的这种现象。由此他们认为，极光的出现与地磁场的变化有关。原来，极光是太阳风与地球磁场相互作用的结果。太阳风是太阳喷射出的带电粒子，当它吹 到地球上空，会受到地球磁场的作用。地球磁场形如漏斗，尖端对着地球的南北两个磁极，因此太阳发出的带电粒子沿着地磁场这个"漏斗"沉降，进入地球的两极地区。两极的高层大气，受到太阳风的轰击后会发出光芒，形成极光。高层大气是由多种气体组成的，不同元素的气体受轰击后所发出的光的前面色不一样。例如氧被激后发出绿光和红光，氮被激后发出紫色的光，氩激后发出蓝色的光，因而极光就显得绚丽多彩，变幻无穷。

　　科学家已经了解到，地球磁场并不是对称的。在太阳风的吹动下，它已经变成某种"流线型"。就是说朝向太阳一面的磁力线被大大压缩，相反方向却拉出一条长长的，形似慧尾的地球磁尾。磁尾的长度至少有1，000个地球半径长。由于与日地空间行星际磁场的偶合作用，变形的地球磁场的两极外各形成一个狭窄的、磁场强度很弱的极尖区。因为等离子体具"冻结"磁力线特性，所以，太阳风粒子不能穿越地球磁场，而只能通过极尖区进入地球磁尾。当太阳活动发生剧烈变化时(如耀斑爆发)，常引起地球磁层亚暴。于是这些带电粒子被加速，并沿磁力线运动。从极区向地球注入，这些带电粒子撞击高层大气中的气体分子和原子，使后者被激发--退激而发光。不同的分子，原子发生不同颜色的光，这些单色光混合在一起，就形成多姿多彩的极光。事实上，人们看到的极光，主要是带电粒子流中的电子造成的。而且，极光的颜色和强度也取决于沉降粒子的能量和数量。用一个形象比喻，可以说极光活动就像磁层活动的实况电视画面。沉降粒子为电视机的电子束，地球大气为电视屏幕。地球磁场为电子束导向磁场。科学家从这个天然大电视中得到磁层以及日地空间电磁活动的大量信息。例如，通过极光谱分析可以了解沉降粒子束来源，粒子种类，能量大小，地球磁尾的结构，地球磁场与行星磁场的相互作用，以及太阳扰乱对地球的影响方式与程度等。

　　极光的形成与太阳活动息息相关。逢到太阳活动极大年，可以看到比平常年更为壮观的极光景象。在许多以往看不到极光的纬度较低的地区，也能有幸看到极光。2000年4月6日晚，在欧洲和美洲大陆的北部，出现了极光景象。在地球北半球一般看不到极光的地区，甚至在美国南部的佛罗里达州和德国的中部及南部广大地区也出现了极光。当夜，红、蓝、绿相间的光线布满夜空中，场面极为壮观。虽然这是一件难得一遇的幸事，但在往日平淡的天空突然出现了绚丽的色彩，在许多地区还造成了恐慌。据德国波鸿天文观象台台长卡明斯基说，当夜德国莱茵地区以北的警察局和天文观象台的电话不断，有的人甚至怀疑又发生毒气泄漏事件。这次极光现象被远在160公里高空的观测太阳的宇宙飞行器ACE发现，并发出了预告。在北京时间4月7日凌晨零时三十分，宇宙飞行器ACE发现一股携带着强大带电粒子的太阳风从它旁边掠过，而且该太阳风突然加速，速度从每秒375公里提高到每秒600公里，一小时后，这股太阳风到达地球大气层外缘，为我们显示了难得一见的造化神工。　　

zengzhangang

年纪大的老人家要注意预防中风.适量服用同仁堂的安宫牛黄丸有预防中风的功效.
我觉得夜光云和极光的成因应有类似之处.
如果将轰击或撞击的作用和压逼的作用比较,就会发现没有本质区别,都可以使受力物体变形和形成自由电子.
我总是怀疑磁场力是万有引力的反作用力.作用力和反作用力总是同时出现,宇宙中就那么一对长程力,它们之间必然有联系.
我已经撰文,论证压力差异是万有引力的成因;压逼会产生压磁效应,使磁场力产生变化,实际就是压力变化影响磁场力变化.也就是说,压力变化同样影响万有引力和磁场力.推断万有引力和磁场力是一对作用力和反作用力并非没有依据.
万有引力不能屏蔽而磁场力可以屏蔽,就引伸出一个问题:作用力和反作用力方向相反大小相同,性质是否一样?
这个问题我有了初步答案但有待成熟.

lhkcc58

“地球磁场形如漏斗，尖端对着地球的南北两个磁极，因此太阳发出的带电粒子沿着地磁场这个"漏斗"沉降，进入地球的两极地区。两极的高层大气，受到太阳风的轰击后会发出光芒，形成极光。”

如果这图是真的，那上述说法就麻烦了；麻烦有二：
1 六点至九点的位置都有极光，而且极光带直指地球；地球的极地地区能有这么广大的范围？！
2那极光带的长度几乎有地球的一个直径的长度；这还是仅仅是极光的可见部分，加上不可见的微光部分还不知道有多远！难道地球的大气层会延伸到一两万公里之外？！

如何解释？！

lhkcc58

8# lhkcc58

要么极光于大气层的分子或原子相互作用的关系被我们解释错了；要么在电离层之外还有“大气层”。除此之外别无他法。

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适量服用同仁堂的安宫牛黄丸有预防中风的功效

不是中央领导是吃不上安宫牛黄了！

zengzhangang

适量服用同仁堂的安宫牛黄丸有预防中风的功效

不是中央领导是吃不上安宫牛黄了！
lhkcc58 发表于 2009-6-3 17:53

看到回复，我都笑了。斑竹挺乐、挺有意思。
万变不离其宗。我之所以想探索磁场力成因，原因就是一旦清楚其成因，与之相关的现象都可以从其成因去考虑。那么，解答问题的准确性将会大大提高。
极光现象无疑是与磁场变化有关系，如果磁场力真是万有引力的反作用力，压力差异就是其成因，压磁效应就是其形成的表象和结果。以压磁效应解释极光、夜光云就是从根本上去作解释。
然而，我觉得这一切暂时而言是徒劳的。我总觉得与力学相关的问题最好是有数理分析和有数学模型，因此，在磁场力计算公式未求出前谈论磁场力成因只能是有表面证据支持的假说，缺乏了最实质的数理化支持。现在是实在没办法，硬着头皮谈论。得出的结果必然是谁也不服从谁。当然，启发意义还是会有一点的。

lhkcc58

11# zengzhangang “如果磁场力真是万有引力的反作用力”
我们应该切记“大小相同，方向相反”的信条
我们如何使二者 “大小相同，方向相反”？

lhkcc58

“极光有发光的帷幕状、弧状、带状和射线状等多种形状。发光均匀的弧状极光是最稳定的外形，有时能存留几个小时而看不出明显变化。然而，大多数其他形状的极光通常总是呈现出快速的变化。弧状的和折叠状的极光的下边缘轮廓通常都比上端更明显。极光最后都朝地极方向退去，辉光射线逐渐消失在弥漫的白光天区”

极光的这些形态会与大气的分子或原子有关？？如果我们找不到其与大气分子和原子之间的关系，我们只好为其另找原因。

zengzhangang

我明白班竹的意思。
一般人会认为万有引力的反作用力不就是万有引力吗？它们都是大小相同、方向相反。
两个质点或许是这样。但对于群体质点，细想一下觉得问题不是这么简单。因为物体受力变形，会形成应力，使到所受的万有引力得到调节。在距离上考虑，磁场力与两磁体的距离有很大关系，无论是磁场吸力还是斥力，距离越小就越大。比较万有引力，可以发现这是相同特点。为何会出现大小不等的现象，估计是和中性物质有关系。
角度和中性物质是探索磁场力计算公式的大难点。
另有一个问题是究竟是考虑三方参予还是七方参与。
事实上，在探索磁场力公式问题上，我现在的思维有点乱。有种江郎才尽的感觉。

lhkcc58

14# zengzhangang
处理小一点儿的问题，感觉会好一点儿。

zengzhangang

15# lhkcc58
斑竹说得对.
在推导万有引力系数的时候,脑子也曾经很混乱,但灵感一来就清晰了.慢慢来,等待灵感降临.
极光呈弧线,磁力线也是弧性,两者在形状上相类似.从磁场变化角度去考虑极光的成因有道理.

lhkcc58

贴一点资料：

电离层（Ionosphere）是地球大气的一个电离区域。60千米以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，电离层是部分电离的大气区域，完全电离的大气区域称磁层。也有人把整个电离的大气称为电离层，这样就把磁层看作电离层的一部分。除地球外，金星、火星和木星都有电离层，土星、天王星、海王星和冥王星的电离层结构，有待进一步探测研究。

lhkcc58

地球大气层

散逸层
（>800km）
热成层
（80km-800km）
中间层
（50km-80km）
平流层
（11km-50km）
对流层
（0km-11km）

电离层是地球大气层被太阳射线电离的部分，它是地球磁层的内界。由于它影响到高频电波的传播，它有非常重要的实际意义。

目录 1 地球物理 2 分层 2.1 D层 2.2 E层 2.3 ES层 2.4 F层 3 异常 3.1 冬季异常 3.2 赤道异常 4 扰乱 4.1 X射线：突发电离层骚扰 4.2 质子：极冠吸收 4.3 地磁风暴 5 无线电应用 6 其它应用 7 测量 7.1 电离层图 7.2 太阳流 7.3 研究项目 8 历史

地球物理

地球大气层最下面的一层是对流层，它从地面延伸到约10千米的高处。10千米以上为平流层，再向上为中间层。在中间层里入射的阳光形成臭氧层。在约80千米以上的热成层大气已经非常稀薄，在这里阳光中的紫外线和X射线可以使得空气分子电离，自由的电子在与正电荷的离子合并前可以短暂地自由活动，这样在这个高度造成一个等离子体。在这里自由电子的数量足以影响电波的传播。

在电离层中阳光电离大气分子与离子重新捕获自由电子的过程平衡。一般来说高度越高，大气约稀薄，则电离过程约占上风。不过电离层的特性还随许多其它因素影响。

电离过程的主力是太阳及其活动。电离层内电离度主要由获得的太阳辐射所影响。因此电离层随周日和季节（冬季半球远离太阳，因此受到的辐射比较少）而变化。太阳活动主要随太阳黑子周期而变化。一般来说太阳表面黑子越多，太阳活动越强烈。除此以外随地球表面纬度的不同当地受到的太阳辐射强度也不同。耀斑和太阳风中的带电粒子可以与地球磁场相互作用，导致对电离层的扰乱。

分层

太阳辐射对不同高度不同成分的空气分子电离造成电离层不同的分层：

D层
D层是电离层最低的一层，离地球表面50至100公里。这里主要是波长为121.5纳米的赖曼-α氢光谱线的光电离一氧化氮。在太阳活动非常强烈时（超过50个黑子），硬X射线还可以电离空气中的氮气和氧气的分子。夜间宇宙射线造成一个剩余电离。这个层里离子对自由电子的捕获率比较高，因此电离效应比较低，因此它对高频无线电波没有影响。日间这里自由电子与其它粒子的碰撞率约为每秒1000万次。10MHz以下的电波会被D层吸收，随着电波频率的增高这个吸收率下降。夜间这个吸收率最低，中午最高。日落后这个层减弱非常大。D层最明显的效应是白天远处的中波电台收不到。

E层
E层是中层，在地面上100至150公里。这里的电离主要是软X射线和远紫外线对氧气分子的电离。这个层只能反射频率低于10MHz的电波，对频率高于10MHz的电波它有吸收的作用。E层的垂直结构主要由电离和捕获作用所决定。夜间E层开始消失，因为造成电离的辐射消失了，由于捕获在低处比较强，因此其高度开始上升。高空周日变化的风对E层也有一定影响。随着夜间E层的升高，电波可以被反射到更加远的地方。

ES层
ES层也被称为偶现E层。它是小的、强烈电离的云，它可以反射频率在25至225MHz之间的电波。偶现E层可以持续数分钟到数小时不等，其形成原因可能有多种，而且还在研究中。夏季偶现E层出现得比较多，持续时间一般也比冬季长。电波的反射距离一般为1000公里左右。

F层
F层离地面150至400公里。在这里太阳辐射中的强紫外线（波长10至100纳米）电离单原子氧。F层对于电波传播来说是最重要的层。夜间F层合并为一个层，白天分为F1和F2两个层。大多数无线电波天波传送是F层形成的。在白天F层是电离层反射率最高的层。

异常

实际上电离层不象上面所叙述的那样由规则的、平滑的层组成。实际上的电离层由块状的、云一般的、不规则的电离的团或者层组成。

冬季异常
夏季由于阳光直射中纬度地区的F2层在白天电离度加高，但是由于季节性气流的影响夏季这里的分子对单原子的比例也增高，造成离子捕获率的增高。这个捕获率的增高甚至强于电离度的增高。因此造成夏季F2层反而比冬季低。这个现象被称为冬季异常。在北半球冬季异常每年都出现，在南半球在太阳活动低的年度里没有冬季异常。

赤道异常

朝阳面电离层里的电流


在地球磁赤道左右约±20度之间F2层形成一个电离度高的沟，这个现象被称为赤道异常。其形成原因如下：在赤道附近地球磁场几乎水平。由于阳光的加热和潮汐作用电离层下层的等离子上移，穿越地球磁场线。这在E层形成一个电流，它与水平的磁场线的相互作用导致磁赤道附近±20度之间F层的电离度加强。

扰乱

X射线：突发电离层骚扰太阳活跃时期强烈的耀斑发生时硬X射线会射击到地球。这些射线可以一直穿透到D层，在这里迅速导致大量自由电子，这些电子吸收高频（3-30MHz）电波，导致无线电中断。与此同时及低频（3-30kHz）会被D层（而不是被E层）反射（一般D层吸收这些信号）。X射线结束后D层电子迅速被捕获，无线电中断很快就会结束，信号恢复。

质子：极冠吸收耀斑同时也释放高能质子。这些质子在耀斑爆发后15分钟至2小时内到达地球。这些质子沿地球磁场线螺旋在磁极附近撞击地球大气层，提高D层和E层的电离。极冠吸收可以持续一小时至数日，平均持续24至36小时。

地磁风暴：地磁风暴是地球磁场暂时的、剧烈的骚扰。

• 地磁风暴时F2层非常不稳定，会分裂甚至完全消失。
• 在极地附近会有极光产生。

无线电应用

电离层被用来反射和传送高频无线电信号。反射后的信号回到地球表面，可以再次被反射到电离层。

电波可以使得电离层里的自由电子以同样的频率振荡。假如此时自由电子被捕获的话电波中的部分能量消失。假如电离层里自由电子的碰撞频率小于电波频率，而且自由电子密度足够高的话可以产生全发射。

假如电波频率高于电离层内的等离子频率的话，则电子运动不够快来反射电波。在一个临界频率以下电离层可以垂直反射电波：
N是每立方厘米电子密度，fcritical是频率（单位为MHz）。
最高可用频率是在一定时间里可以在两点之间传送信号的频率上限。
I是波与水平线之间的角度。
截止频率以下的电波无法在一定角度下穿透电离层。

其它应用

规模五以上的地震在发生前, 至少超过七成震中上空的电离层都曾突然变稀薄; 规模六以上强烈地震更高达九成都会在震前出现电离层异常扰动, 故如当下判断某区电离层突然变稀薄非由太阳黑子等外来活动引起时, 则可能是由于地球板块挤压累积能量所致, 故应可利用电离层异常扰动现象作为地震预警的重要参考, 让政府为可能将到来的大地震预作准备。

有人建议使用电离层来从地球磁场里获取能量。目前有对这个建议的可行性的研究。

测量

电离层图

电离层图显示使用电离层探测仪测量的电离层层次的高度及其临界频率。电离层探测仪垂直向电离层发送一系列频率（一般从0.1至30MHz）。随频率增高，信号在被发射前可以穿透更高的层。最后频率高到不再被反射。

太阳流

太阳流是使用加拿大渥太华的一台射电望远镜测量的太阳辐射在2800MHz频率的强度。测量结果证明这个强度与太阳黑子活动相称。不过导致地球大气上层电离的主要是太阳的紫外线和X射线。目前地球静止业务环境卫星可以测量太阳的X射线流。这个数据与电离层的电离度更加相应。

研究项目

科学家使用不同手段研究电离层的结构，包括被动观测电离层产生的光学和无线电信号，研究不同的射电望远镜被反射的信号，以及被反射的信号与原信号之间的差别。

1993年开始的为期20年的高频活动极光研究计划以及类似的项目研究使用高能无线电发射机来改变电离层的特性。这些研究集中于研究电离层等离子体的特性来更好地理解电离层，以及利用它来提高民用和军事的通讯和遥测系统。

超级双子极光雷达网研究高高度和中高度对8至20MHz频率的相干散射。相干散射与晶体的布拉格散射类似，是由电离层密度差异造成的相增衍射散射。这个项目包括全球11个不同国家的多部雷达。

科学家还测量卫星和其它恒星的无线电波经过电离层所产生的变化。位于波多黎各的阿雷西博天文台本来就是打算用来研究地球电离层的。

历史

1899年尼古拉·特斯拉试图使用电离层进行远距无线能量传送。他在地面和电离层所谓的科诺尔里亥维赛层之间发送极低频率波。基于他的试验的基础上他进行了数学计算，他对这个区域的共振频率的计算与今天的试验结果相差不到15%。1950年代学者确认这个共振频率为6.8Hz。

1901年12月12日古列尔莫·马可尼首次收获跨大西洋的信号传送。马可尼使用了一个通过风筝竖起的400英尺长的天线。在英国的发送站使用的频率约为500kHz，其功能为到那时为止所有发送机的100倍。收到的信号为摩尔斯电码中的S（三点）。要跨越大西洋，这个信号必须两次被电离层反射。继续理论计算和今天的试验有人怀疑马可尼的结果，但是1902年马可尼无疑地达到了跨大西洋传播。

1902年奥利弗·海维赛德提出了电离层中的科诺尔里亥维赛层的理论。这个理论说明电波可以绕过地球的球面。这个理论加上普朗克的黑体辐射理论可能阻碍了射电天文学的发展。事实上一直到1932年人类才探测到来自天体的无线电波。1902年亚瑟·埃德温·肯涅利还发现了电离层的一些电波-电子特性。

1912年美国国会通过1912年广播法案，下令业余电台只能在1.5MHz以上工作。当时政府认为这以上的频率无用。这导致了1923年使用电离层传播高频无线电波的发现。

1947年爱德华·阿普尔顿因于1927年证实电离层的存在获得诺贝尔物理学奖。莫里斯·威尔克斯和约翰·拉克利夫研究了极长波长电波在电离层的传播。维塔利·金兹伯格提出了电磁波在电离层这样的等离子体内的传播的理论。

1962年加拿大卫星Alouette 1升空，其目的是研究电离层。其成功导致了1965年Alouette 2卫星的发射和1969年ISIS 1号和1971年ISIS 2号的发射。这些卫星全部是用来研究电离层的。

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范艾伦辐射带，指在地球附近的近层宇宙空间中包围着地球的高能辐射层，由美国物理学家詹姆斯·范艾伦发现并以他的名字命名。范艾伦辐射带分为内外两层，内外层之间存在范艾伦带缝，缝中辐射很少。范艾伦辐射带将地球包围在中间。

发现1958年1月31日，美国第一颗人造卫星探险者一号升空，当升至800千米高空时，星上所载盖革计数器读数突然下降至0。到1958年3月26日探险者三号升空时，又发生了同样的情况。范艾伦认为，这是因为存在极大量的辐射导致计数器达到饱和而失灵造成的。因此，同年7月26日发射探险者四号时，他在计数器前端加入一小片薄铅以阻挡部分辐射。果然，新的卫星证实了他的猜测。

成因及影响20世纪初，挪威空间物理学家斯托默就从理论上证明，地球周围存在一个带电粒子捕获区。它是由地球磁场俘获太阳风中的带电粒子所形成的。一般的，内辐射带里高能质子多，外辐射带里高能电子多。辐射带会对人类身体造成巨大伤害，因此，它是人类进行星际转移的巨大障碍。

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磁圈是一个天体周围、以该天体的磁场为主的地区。地球、木星、土星、天王星和海王星的周围均有磁圈，水星和木卫三虽然也有磁场，但其强度太低，不能构成一个磁圈。火星仅有局部的磁场，也不能形成一个磁圈。除此之外其它拥有磁场的天体如脉冲星也有磁圈。



地球磁圈的示意图，太阳风从左向右吹

目录
1 研究历史
2 地球磁圈
3 特征
4 辐射带
5 磁尾
6 太空中的电流
7 磁场的分类
8 磁暴和磁亚暴

研究历史1958年探险者一号人造卫星在国际地球物理年的研究范围内发现了地球的磁圈。由于太阳耀斑有时导致“磁暴”，因此科学家在此前就已经知道在太空中有电流流动，但是当时没有人知道这些电流在哪里流动和其原理是什么，当时人们也不知道太阳风的存在。1958年8月和9月美国进行试验来测试关于辐射带的理论以及是否能够在战争中利用它。

1959年托马斯·戈尔德提议使用“磁圈”这个名称。他写道：

“电离层以上至目前已知的地球半径十倍的地方地球的磁场对气体和高速带电粒子的运动起主要影响；这个区域应该被称为磁圈。”（Journal Geophysical Results，LXIV. 1219/1）

地球磁圈地球的磁圈的形状和大小由地球磁场、太阳风离子和行星际磁场决定。在磁圈里来自太阳风和地球电离层的自由等离子和电子主要受到磁力和电力的影响，而地球的万有引力以及这些电荷之间的碰撞则起一个不重要的作用。磁圈并不是球状的，在面对太阳的一面其边界离地心的距离约为七万千米（随太阳风强度的变化而变化）。磁圈的边界称为磁顶，在对太阳的方向它离地心约为15倍地球半径，在背着太阳的方向它离地心约为20至25倍地球半径，而它的尾部则可以延伸到离地心200倍地球半径的距离以上，其具体的距离不明。

地球最外层的中性气体层被称为地冕，它主要由最轻的原子如氢和氦组成，它可以延续到离地心四至五地球半径的地方，其密度逐渐降低。磁圈中的高温等离子可以与这些原子碰撞获得电子，由此产生高速的逃逸原子，这个过程可以被用来测试和显示高温等离子云。地球电离层的最外部分被称为等离子层，它也可以达到离地心四至五地球半径的地方，其密度也不断降低。在此以上被称为极风的轻等离子流能够逃逸出磁圈，与太阳风会合。极光所释放的能量可以强烈地加热大气层中的氧和氧气分子，本来这些粒子太重了，无法逃逸地球引力，但是在太阳活动强烈期间这些被加热的粒子可以外流到磁圈内，这个过程有时甚至能够将以地球物质为主的地区（也被称为第四或等离子地层）扩展到磁顶。

特征以下两个因素对地球磁圈的结构和性能起决定性作用：地球磁场和太阳风。

地磁场可能是由地核内通过其内热所驱动的液态金属的流动而导致的发电机原理产生的。它近似于一个相对地球的自转轴倾斜10°的磁棒。卡尔·弗里德里希·高斯是第一位认识到实际上地磁场的结构比一根磁棒的磁场的结构要复杂得多。地磁场在地球表面的强度约为0.3至0.6高斯，其强度随距离的立方而减小。也就是说在离地球表面一个地球半径R的地方其强度为地球表面的1/R3。局部的不规则的减弱更加快，因此从太空中来看地磁场非常接近一个偶极磁场。

太阳风是从太阳表面向外流的快速的热等离子。在太阳赤道其速度一般为400千米每秒，在太阳极地其速度可以达到这个速度的两倍之多。这个外流是由日冕的上百万度的高温导致的。太阳风的组成与太阳的总体组成类似，约95%的等离子由质子组成，4%是氦原子核、1%是其它比较重的物质（如碳、氮、氧、氖、硅、镁和铁等），此外还有相应数量的电子来保持整个太阳风的电中性。在地球轨道处其密度一般为每立方厘米六个离子（这个数据以及其速度的数据随太阳活动而不断变化），太阳风中的等离子被束缚在一个不断变化的行星际磁场，其强度在二至五纳特斯拉之间。这个行星际磁场是太阳磁场的延伸，而且不断受到磁暴和等离子流的影响。

出于物理原因太阳风的等离子与地球磁场导致的等离子不易融合，因此两个等离子体之间形成一明显的边界，即磁顶。地球的等离子体成为被流动的太阳风所包含的一个腔。出于不同的物理原理（比如磁重联）两者之间的隔绝不完全，因此太阳风可以将许多能量传递给磁圈。

在面对太阳的一面，在离地心13.5地球半径左右的地方磁圈与太阳风形成一个无撞击的弓形激波。这个激波导致的原因是因为太阳风的速度一般为阿尔文波的两至三倍。在激波背面等离子体的速度迅速降低到阿尔文速度（同时等离子体温度骤升，来吸收释放出来的动能）。但是由于周边太阳风的拉力等离子体的速度很快又恢复到原来的速度。

辐射带1958年前半年美国的探险者一号、探险者三号和苏联的卫星三号等科学卫星被发射后科学家出乎意料地发现了地球周围强烈的、被地磁场束缚的范艾伦辐射带（内辐射带）。这个辐射带由能量在10至100MeV的质子组成，这些质子是由于宇宙线与地球大气上层撞击导致的中子衰变产生的，其中心在赤道离地球中心约1.5地球半径。

后来人们发现在离地球中心2.5至8个地球半径的地方还有一层被地磁场束缚的离子和电子。这些等离子中能量比较高的（约1MeV）被称为外辐射带，而其主要组成部分则能量比较低（在65keV左右），这些等离子组成环电流等离子。

被束缚在磁场中的离子可以非常稳定，尤其内辐射带的离子非常稳定，这里的粒子可以维持数年之久。比如1962年7月美国在这个层里爆炸了一枚氢弹，其导致的人工的高能电子带在四五年后依然存在（今天这样的试验通过条约被禁止）。

外辐射带和环电流不这么稳定，原因是其粒子与地冕中的粒子的碰撞使得它们不断丧失。这说明在这里有一个不断产生新的等离子的机理。

磁尾由于太阳风将被束缚在行星磁圈中的等离子吹走，因此它们形成一个磁尾。磁尾可以延伸到行星后非常远的地方。地球的磁尾一直延伸到月球轨道以外，而木星的磁尾估计一直延伸到土星轨道以外。磁尾中的等离子不断旋转，一直达到磁尾终端，然后回流到行星。
在磁尾中也有没有物质流的中断区域，这些区域被称为波谷。这些区域的大小和位置会不断变化，有时会合并或者消失。有时磁尾甚至会反跳回来，在行星的磁圈中释放大量高温和高电离的粒子。

太空中的电流在太空中大多数磁场是由电流导致的。磁圈里的电流实际上将地球本来的磁场扩展了许多，这些电流也决定远离地球的地方的磁场结构。在地磁场中的电荷倾向于环绕地磁场的偶极旋转。比如从上方看地球北极的话离子呈顺时针方向旋转，而电子则呈逆时针方向旋转，导致上述的环电流。

环电流加强其外部的磁场，扩展地球的磁圈，同时削弱其内部的磁场。在磁暴时环电流中的等离子数目增高，使得它变强，同时地球表面的磁场会被削弱1%至2%。

磁场的变形和其中的电流的流动相互作用，相互影响，因此很难说双方哪个是起因，哪个是结果。

除了这个水平的环流外还有在极地附近从远太空进入电离层，然后又被反弹回太空的电流（伯克兰流）。这个电流的细节还不很明确，还在研究中。

由于电离层是有电阻的，因此这个电流会加热电离层，此外它会导致霍尔效应，加速磁圈里的粒子，电离氧原子，使它进入环电流。

磁场的分类通过分析不同电流所导致的磁场或者由不同磁场产生的电流可以将磁圈分为以下五个部分：

地磁场是由地核内的电流产生的，它主要类似于一个偶极。

环电流场，这个场是由束缚在地球的磁偶极中的等离子导致的，这个电流一般离地心三至八地球半径（强流时比较接近地面），其电流约沿地磁赤道流动，从北极看流向为顺时针方向（在主流内有一个小的逆时针流）。

磁圈内束缚地球等离子和磁场的场。导致这个场的电流沿磁顶流动。这个电流是由磁顶的突然磁场变化（磁顶外太阳风的磁场，磁顶内地球磁场）导致的（安培定理）。

尾流系统。在磁尾中有两束相对的磁场，北极的磁场指向地球，南极的磁场从地球指离磁尾。在这两个磁场之间是一层密集的等离子（约每立方厘米0.3至0.5个离子，在磁场内的离子密度仅每立方厘米0.01至0.02个离子）。由于在这里磁场也突然变化，因此出于同样的安培原理这里也有电流。这个电流从日出面流向日落面。这个电流在磁顶的尾部合流。

伯克兰流场。这个场需要一个能量源来保持其加热电离层的损失。这个能量源可能也是由发电机原理导致的。这说明伯克兰流中至少有部分区域相对于地球运动。

磁暴和磁亚暴美国国家航空航天局发射了西弥斯卫星来研究外部太阳风对磁圈的影响和磁亚暴的形成原理。

假如行星际磁场的磁场方向是指向南方的话，那么磁圈内的磁场方向与行星际磁场方向相反，这导致双方比较容易联系到一起，使得太阳风内的能量和物质比较容易进入磁圈。其结果是磁尾扩展和变得不稳定。磁尾的结构会突然地和强烈地变化，导致所谓的磁亚暴。

这个过程的原理还在研究中。一个推测是由于磁尾扩张，它对周边的太阳风形成了一个比较大的阻力，而周边的太阳风对它的压力也增高。最后等离子层中的磁场线被中断（磁场重联），远离地球的磁尾形成一个独立的环，被太阳风吹走（等离子体团），而离地球近的部分则反弹回来，加速其中的粒子，导致伯克兰流和明亮的极光。1970年代里卫星在离地心6.6地球半径的地方观测到了这个现象。在良好的条件下这个现象可以每天多次发生。

磁亚暴不明显加强环电流。但是磁暴会显着地加强环电流。磁暴是在太阳日冕物质抛射或者耀斑发生后高速等离子体云冲击地球。假如这个时候行星际磁场的方向指向南方的话，这不但会使得磁圈的边界向地球方向移动，而且会导致磁尾等离子体剧烈进入磁圈。

其结果是环电流中的等离子粒子数目剧增，其中相当多的一部分是电离层中极光现象释放出的氧离子。此外环电流被逼近地球，进一步加强了其粒子能量，暂时地改变地球附近的磁场，使得极光（及其电流系统）向赤道靠近。由于许多离子在短时间内通过电荷交流消失，因此磁场骚扰在一至三日内就消失了，但是环电流中的高能会持续相当长的时间。

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磁顶，又称磁层顶。主要指地球磁场与太阳风作用形成的磁层的边界层。当然也可指一切磁化行星与恒星风作用形成磁层的边界。磁层顶外侧一直到舷激波处被称磁鞘层。磁层顶内侧是磁层的边界层。

历史Chapman和Ferraro(1931, 1932) 首先提出地球磁场边界层的存在。 1960年代, 探索者10号和12号首先探测了这一区域。
形成磁层顶的形成地点大约在太阳风动压与地球磁场压强相同处。距离地球大约8－11个地球半径。

tanlilin

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zengzhangang

班竹辛苦了.所提供资料对于增进磁场方面的知识很有帮助.

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“高层大气是由多种气体组成的，不同元素的气体受轰击后所发出的光的前面色不一样。例如氧被激后发出绿光和红光，氮被激后发出紫色的光，氩激后发出蓝色的光，因而极光就显得绚丽多彩，变幻无穷。 ”

以上的解释问题大大的。难道高层大气层内各种气体的分布是不均匀的？难道多种气体组成的大气层内各种气体分子的分布呈“割据”的状态？！
如果不是，那极光的颜色应该是一致的。如果不是而又出现五彩缤纷的情况，那上面的解释就是错误的，至少是不完全的。