宇宙磁现象

宇宙磁现象

太阳磁场与太阳黑子

太阳黑子是在太阳表面出现的很小的较暗的区域。观测表明黑子出现的数目、大小和位置都是随时间变化的。进一步研究表明，太阳黑子是一种太阳磁场引起的局部区域温度降低、发光减弱的现象。太阳黑子也是很早就有了观察记载，但直到近代通过观测和研究才认识到太阳黑子的出现和变化是同太阳的磁场活动密切相关的。太阳的黑子活动不但同太阳的结构和活动等密切相关，而且对于我们地球也有影响。所以太阳黑子的观察研究受到重视。下图是我国北京天文台建造的太阳磁场望远镜，其建造规模和观测研究都居于世界前列。

太阳黑子

太阳磁场望远镜

“阿波罗”飞船测月磁

20世纪60年代的“阿波罗”飞船载人飞上月球以前，人类对于地球以外的天体的观测都是依靠人眼或望远镜。直到“阿波罗”飞船载人飞上月球，人类才开始了对地外天体的直接观测和研究。在航天人员对月球的许多直接观察、测量和研究中，关于月球的磁场和月岩磁性的观察、测量和研究也是一项重要的工作，并且取得了很有意义的结果。宇航员便利用这套磁场测量设备测量了月球表面和月球上空的月球磁场的3个分量，宇航员还将采取的月球岩石（简称月岩）带回地球，并通过测量月岩的磁性，可以推断出月岩形成时的月球磁场，正像由地球的古岩石的磁性推断出地质时期的地球磁场一样。我国也曾得到少量的赠送的月岩样品，并对其进行了一定的测量和研究。

“阿波罗”11号宇宙飞船

从多次登月对月球磁场和月岩磁性的测量和研究中得到了关于月球结构和演化等的一些重要信息。例如，月球磁场强度仅为地球磁场的大约百分之一（1%），远低于地球磁场，而且磁场强度分布很不均匀，也不像地球磁场来自地球的磁北极和磁南极；又例如，月岩中的强磁性物质主要是铁和铁合金，不像地球岩石中的强磁性物质主要是铁的氧化物或铁的其他化合物，表明月球上长期缺乏氧气等气氛。再经过进一步的科学研究和分析，可以从月岩剩余磁性推论古代月球磁场远强于现在的月球磁场，而同现在的地球磁场相近；又可以从现在月球的变化磁场推论它是由太阳发射的带电粒子流即太阳风在月球内部因电磁感应作用所产生的，因而可推算月球内部岩石的电导率及其分布情况，再结合对月岩的其他科学研究，又可以进一步科学推论月球内部为固态物质，不像地球内部有液态物质。再从这些观测分析和研究，使得关于月球磁场来源的模型和学说多达20多种。特别值得注意的是，由月球磁场的观测研究可以推断月球的内部结构和物态，这在现代天文学和宇宙学的观测研究上是十分少见的。

“阿波罗”11号的登月舱

磁场与空间气象学

现代人类已进入空间时代，空间环境对人和生物等的影响已受到特别的关注，其中的空间气候如太阳风等便同太阳磁场和太阳系磁场有关密切的关系。前面已经讲到，太阳风是由太阳上的能量高的带电粒子如电子、质子等从太阳表面喷射到太阳外的太阳系空间甚至更远的空间。由于太阳风中粒子带有电荷，因此也将太阳磁场带入太阳系空间甚至更远的空间，形成太阳系行星空间的行星际磁场。因为太阳风含有高能量带电粒子，这对于行星际中的空间飞行器，特别是对飞行器的人和生物等是有伤害的。因此对剧烈的太阳风的预报和预防是特别需要的。

太阳风动画图

如何预报剧烈的太阳风？因为太阳风是从太阳发射出来的带太阳磁场的高能量带电粒子，是太阳的磁活动，如太阳黑子和太阳耀斑等产生的。这就需要预报太阳的剧烈磁活动。太阳黑子和太阳耀斑是可以从太阳光观测出来的。光的传播速度是远高于高能带电粒子的运动速度的，因此只要观测到太阳黑子和太阳耀斑等剧烈活动的光信号，便可以预测和预报剧烈太阳风的时间。这样就可以对行星际空间将要发生的剧烈太阳风进行预测和预报了。当然这就需要更多和更深入地研究各种太阳磁活动、特别是剧烈太阳磁活动的产生机制和各种影响因素。

太阳耀斑

在太阳系行星系统中，许多行星的磁场都低于地球的磁场，但是太阳系中最大的行星木星的表面磁场却约为地球磁场的10倍。这是什么原因？进一步深入研究认识到，木星主要是由氢构成的，木星表面为氢气，木星内部压力增大，氢气转变为液态氢，再深入木星内部，压力更增大，液态氢又转变为固态氢。更深入木星内部后固态氢密度更增大，又从绝缘状态的氢转变为金属状态的氢。从物理学理论研究可知，金属氢还可能在一定条件下转变为超导体。如果木星内部存在电阻为零的超导氢，就会存在巨大的电流，并由此产生高的磁场。这样就可以说明木星为什么有较高的磁场。物理学理论研究还指出，金属氢还可能是一种高温高能燃料。这样就促进了关于金属氢的探索性研究。目前虽然在地球上还未研究出金属氢来，但是对木星磁场的测量和研究，以及由此引出的关于金属氢的推测却是引人注意的。

太阳风

学然后知不足，教然后知困。知不足，然后能自反也；知困，然后能自强也。

——孔子《礼记·学记》