地球磁力線分布

在地球磁層物理學(xué)中，我們常會看到這樣的描述：

當(dāng)太陽風(fēng)到達地球附近時，與地球的偶極磁場發(fā)生作用，并把地球磁場的磁力線吹得向后彎曲，但是地磁場的磁壓阻滯了等離子體流的運動，使得太陽風(fēng)不能侵入地球大氣而繞過地磁場繼續(xù)向前運動，于是形成一個空腔，地磁場就被包含在這個空腔里，此時的地磁場外形就像一個一頭大一頭小的蛋狀物......

太陽風(fēng)對地球磁場的影響

看到這些描述和圖解，不禁讓人困惑起來？

磁力線本是用于描述場屬性的東西，它不應(yīng)具有實體物質(zhì)性，但我們在運用這一概念時，卻

認為它可以被太陽風(fēng)吹得“變形”；“變形”說明了什么？說明磁力線具有實體物質(zhì)性，是一種真實存在，這就與法拉第原先認為的“磁力線只是一種物理假設(shè)模型，它并不真實存在”的思想相矛盾。

我們知道，磁力線是基于磁體周圍會吸引碎鐵屑的實驗現(xiàn)象，由法拉第首先引入的概念，它是用以形象描述與研究磁體磁場分布特性而人為假想的曲線，其并不客觀存在于磁場中。

磁鐵周圍鐵屑分布與磁力線

磁力線的物理特點是：

①磁力線是閉合曲線，磁鐵外部的磁感線是從N極出來，回到磁鐵的S極，內(nèi)部是從S極到N極，外部的磁力線為曲線，而內(nèi)部的磁力線為直線。

②每條磁力線都是閉合曲線，任意兩條磁力線都不相交。

③磁力線上每一點的切線方向都表示該點的磁場方向。

④磁力線的疏密程度表示磁感應(yīng)強度的大小。

⑤地球磁力線方向與條形磁體的磁力線方向一樣。

地球磁場像個大條型磁鐵

特別說明：

①磁場中并沒有磁力線客觀存在，而是人們?yōu)榱搜芯繂栴}的方便而假想的。

②區(qū)別電力線和磁力線的不同之處是電力線是不閉合的，而磁力線則是閉合曲線。

太陽風(fēng)與地球磁力線

當(dāng)我看到這張地球磁場被太陽風(fēng)吹變形的示意圖和語言描述時，總覺得目前物理學(xué)的這種描述存在“非科學(xué)性”，因為磁力線是一種根本不存在的無形的東西，怎么會被太陽風(fēng)吹變形呢？

太陽風(fēng)是一種形象說法，它與我們地球上空氣流動形成的風(fēng)性質(zhì)完全不同，簡單的說，就是從太陽大氣最外層的日冕向空間持續(xù)拋射出來并以200-800km/s高速運動的粒子流，這種粒子流不是由氣體分子組成，而是由更簡單的比原子還小一個層次的基本粒子——質(zhì)子和電子等組成，但它們流動時所產(chǎn)生的效應(yīng)與空氣流動十分相似。

太陽風(fēng)從冕洞噴發(fā)而出后，還會夾帶著被裹挾在其中的太陽磁場向四周迅速吹散，太陽風(fēng)至少可以吹遍整個太陽系。

太陽風(fēng)對地球磁力線影響的描述

太陽風(fēng)的得名還和彗星有關(guān)，當(dāng)人們通過先進的觀測手段發(fā)現(xiàn)彗星離太陽越近，彗發(fā)就越明顯，彗尾就越長，而且彗尾的方向總是背對著太陽的時候，就開始猜測，也許太陽會放射出一種類似于風(fēng)的東西，對彗星產(chǎn)生影響。

彗星運動的彗尾輻射

我在《重論法拉第力線》一文中指出，法拉第磁力線的物理本質(zhì)是中心磁體對周圍空間的小磁體會產(chǎn)生“磁極矩作用”，從而使周圍小磁體產(chǎn)生線性排列的結(jié)果，并不是說中心磁體真正存在所謂的磁力線，也就是說，磁力線是一種假想的線，當(dāng)中心磁體周圍沒有大量的小磁體存在時，就根本不可能存在這種線。

可見，目前物理學(xué)對太陽風(fēng)影響地球磁場變形的觀測和描述正驗證了我對法拉第磁力線重新解讀與判斷的正確性，同時也為建立在法拉第力線之上的一整套關(guān)于磁場的物理理論，如磁通量、切割磁力、洛倫茲運動等的重新認知與解讀找到了可靠的物理基礎(chǔ)。

我們知道，鐵粉本是無磁性的，當(dāng)我們將它撒在條形磁鐵周圍時，鐵粉就會被磁鐵磁場極化成微型“小磁針”，這些 “小磁針”由于受磁鐵磁極力和它們之間磁極力的作用而產(chǎn)生新的有序排列，即形成“磁力線”排布形狀；如圖-11所示，如果我們將這些有序排列在磁鐵周圍的鐵粉放大，就會發(fā)現(xiàn)，它們的排列原理同圖-5“宏觀”磁針片排列原理是一致的，即在“五個力”作用下，遵守“磁極矩原理”排布。

放大的鐵屑與磁力線

仔細觀察鐵粉實驗視頻-3還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們向玻璃上撒鐵粉時，鐵粉分布曲線形狀并不明顯，這主要是玻璃面對鐵粉顆粒有摩擦力作用，使鐵粉顆粒不能自由移動所造成的；但當(dāng)我們輕敲玻璃時，鐵粉就會因振動而產(chǎn)生移動，并且被極化的鐵粉“小磁針”在磁鐵磁極及它們之間磁極力的相互作用下，使鐵粉“小磁針”磁極產(chǎn)生經(jīng)向首尾“相連”、 緯向相互“排斥”、斜向相互“吸引”的作用形式，結(jié)果它們就分化成了一根根獨立的曲線狀，如下圖所示；這就是法拉第磁力線現(xiàn)象形成的物理本質(zhì)，可將這一本質(zhì)稱作法拉第磁力線形成的“磁極矩原理”。

磁極矩原理與磁力線的形成

法拉第磁力線反映的是磁體磁極與大量“小磁針”磁極之間相互作用而使“小磁針”產(chǎn)生重新排列分布的結(jié)果；對單個小磁針而言，它與磁場磁極作用并不符合法拉第力線形式，而是遵循“磁極矩原理”相互作用；這不僅說明法拉第磁力線是不存在的，而且也說明法拉第磁力線只是對“鐵粉”實驗現(xiàn)象直觀“截取”的描述，并沒有觸及磁力線形成的物理本質(zhì)。

地球磁力線分布

對于地球磁力線而言，如果我們將小磁針放在地球外空間，可以發(fā)現(xiàn)這些小磁針會產(chǎn)生如下圖所示的排列方式，這是小磁針受到地球磁極矩作用的結(jié)果，且這種排列結(jié)果根本不會形成地球磁力線所描繪的形式。

小磁針在地球磁場中受地球磁極矩原理作用

我們知道，太陽風(fēng)中的等離子主要包括質(zhì)子和電子，它們都有自旋磁矩性。

原子核與電子的自旋磁矩

如果將它們看作是一個個小自旋磁陀螺，在不考慮這些等離子有運動速度的情況下，它們在接近地球磁場影響范圍空間時，就會受地球磁極矩影響而產(chǎn)生類似于磁鐵周圍分布碎鐵屑一樣的“等離子“串結(jié)方式，即形成所謂的地球磁力線”，如下圖所示。

不考慮等離子運動自旋磁粒子在地球磁場中的排列

如果我們考慮等離子體相對于地球存在一定的水平速度v，那么這種等離子排列線相對于地球就會表現(xiàn)出“變形”形態(tài)，如下圖。

考慮等離子運動自旋磁粒子在地球磁場中的變形排列

由此可見，太陽風(fēng)吹變形的只是受地球磁極矩影響而呈線性排列的等離子磁粒子“串”，并不是地球磁場或說地球磁力線真的就被太陽風(fēng)吹得變形了。

太陽風(fēng)吹變形的地球磁力線

同時，我們還應(yīng)注意，由太陽風(fēng)吹出的等離子在地球磁場遠空間周圍形成的“串結(jié)”運動是不同于地球磁場近空間磁粒子的，因為在地球磁場近空間的自旋磁粒子由于受地球非均勻磁場影響，會產(chǎn)生類似于“磁鏡效應(yīng)”的運動，如地球近空間的“范.艾倫輻射帶Ⅰ、Ⅱ”就是這種情況。

磁鏡效應(yīng)形成原理

范.艾倫輻射帶的形成原理

范.艾倫輻射帶

但對于近期發(fā)現(xiàn)的“范.艾倫輻射帶Ⅲ”，由于磁粒子受地球磁場影響相對較弱，故呈現(xiàn)出不穩(wěn)定狀態(tài)，即它們可以被強太陽風(fēng)吹散而出現(xiàn)非閉合輻射帶，這就類似于地球遠磁場磁力線會被太陽風(fēng)吹變形的物理機制相類似，是地球穩(wěn)定輻射帶向太陽風(fēng)致磁場變形過渡的區(qū)域帶。