磁场的宇宙磁场

太阳普遍磁场指日面宁静区的微弱磁场,强度约1×10-4~3×10-4特斯拉,它在太阳南北两极区极性相反,观测发现,通过光球的大多数磁通量管被集中在太阳表面称作磁元的区域,其半径为100~300千米,场强为0.1~0.2特斯拉,大多数磁元出现在米粒和超米粒边界及活动区内。如果把太阳当做一颗恒星,可测到它的整体磁场约3×10-5特斯拉,这个磁场是东西方向的。

太阳活动区磁场

太阳黑子磁场

一般说来,一个黑子群中有两个主要黑子,它们的磁极性相反。如果前导黑子是N极的,则后随黑子就是S极的。在同一半球(例如北半球),各黑子群的磁极性分布状况是相同的;而在另一半球(南半球)情况则与此相反。在一个太阳活动周期(约11年)结束、另一个周期开始时,上述磁极性分布便全部颠倒过来。因此,每隔22年黑子磁场的极性分布经历一个循环,称为一个磁周。强磁场是太阳黑子最基本的特征。黑子的低温、物质运动和结构模型都与磁场息息相关。

耀斑与磁场的关系

耀斑是最强烈的太阳活动现象。一次大耀斑爆发可以释放1030~1033尔格的能量,这个能量可能来自磁场。在活动区内一个强度为几百高斯的磁场一旦湮没,它所蕴藏的磁能便全部释放出来,足够供给一次大耀斑爆发。在耀斑爆发前后,附近活动区的磁场往往有剧烈的变化。本来是结构复杂的磁场,在耀斑发生后就变得比较简单了。这就是耀斑爆发的磁场湮没理论的证据。

日珥的磁场

日珥的温度约为一万度,它却能长期存在于温度高达一、两百万度的日冕中,既不迅速瓦解,也不下坠到太阳表面,这主要是靠磁力线的隔热和支撑作用。宁静日珥的磁场强度约为10高斯,磁力线基本上与太阳表面平行;活动日珥的磁场强一些,可达200高斯,磁场结构较为复杂。

太阳普遍磁场

除太阳活动区外,日面宁静区也有微弱的磁场。整个说来,太阳和地球相似,也有一个普遍磁场。不过由于局部活动区磁场的干扰,太阳普遍磁场只是在两极区域比较显著,而不象地球磁场那样完整。太阳极区的磁场强度只有1~2高斯。太阳普遍磁场的强度经常变化,甚至极性会突然转换。这种情况在1957~1958年和1971~1972年曾两次观测到。

太阳整体磁场

如果把太阳当作一颗恒星,让不成像的太阳光束射进磁像仪,就可测出日面各处混合而成的整体磁场。这种磁场的强度呈现出有规则的变化,极性由正变负,又由负变正。大致来说,在每个太阳自转周(约27天)内变化两次。对这个现象很容易作这样的解释:日面上有东西对峙的极性相反的大片磁区,随着太阳由东向西自转,科学家们就可以交替地观察到正和负的整体磁场。总之,太阳上既有普遍磁场,又有整体磁场。前者是南北相反的,后者是东西对峙的。

太阳系磁场结构

太阳磁场的精细结构

通过高分辨率的观测表明,太阳磁场有很复杂的精细结构。就活动区来说,在同一个黑子范围内各处磁场强度往往相差悬殊;并且在一个就整体说来是某一极性(例如N极)的黑子里,常含有另一极性(S极)的小磁结点。因此,严格说来,单极黑子并不存在。在横向磁场图上,不仅各处强度不同,方位角也不一样。在黑子半影中,较亮条纹与它们之间的较暗区域的磁场也有明显的差异。在活动区中,磁结点的直径约为1,000公里,磁场强度为1,000~2,000高斯。黑子磁场的自然衰减时间是很长的。

在日面宁静区,过去认为只有微弱的磁场,其强度约为1~10高斯。可是新的观测表明,宁静区的磁场的强度同样是很不均匀的,也含有许多磁结点。它们在日面上所占面积很小,却含有日面宁静区绝大部分的磁通量。具体说来,宁静区磁结点的范围还不到200公里,而它们含的磁通量竟占整个宁静区的90%左右。由于磁通量集中,磁结点的磁场强度可达上千高斯,远远超过宁静区大范围的平均磁场强度。

行星际磁场的扇形结构

在磁场“冻结”的情况下,太阳风的粒子带着磁力线跑,于是太阳磁场便弥漫于整个太阳系空间。因为太阳在自转,太阳风所携带的磁力线就不是直线,而是螺旋线。此外,日面上有整体磁场,相邻磁区的极性是相反的。这些因素同时起作用,形成行星际磁场的扇形结构。它和太阳整体磁场密切相关,它们的极性几乎完全一致。太阳整体磁场的极性一旦转换,行星际磁场的极性立即跟着转换。

随着太阳磁场向外扩张,它的强度也就越来越弱。在地球外围空间,磁场强度还不到万分之一高斯。然而由于行星际空间的气体极为稀薄,这样弱的磁场也能对物质运动产生支配作用。在太阳风的作用下,地磁场被压缩在地球磁层的范围内,不能向外延伸。

人们对太阳磁场测量只限于太阳大气。至于太阳内部磁场,还不能直接测量,只能用理论方法作粗略的估计。有人认为它可能比大气的磁场强得多。 magnetic star

“磁星”(Magnetar)是中子星的一种,它们均拥有极强的磁场,透过其产生的衰变,使之能源源不绝地释出高能量电磁辐射,以X射线及伽玛射线为主。磁星的理论于1992年由科学家罗伯特·邓肯(Robert Duncan)及克里斯托佛·汤普森(Christopher Thompson)首先提出,在其后几年间,这个假设得到广泛接纳,去解释软伽玛射线复发源(soft gamma repeater)及不规则X射线脉冲星(anomalous X-ray pulsar)等可观测天体。

具有强磁场的恒星。通常光谱型为A,磁场可以强到3万T(特斯拉)。磁星的磁场强度还在变化,故又称磁变星。磁变星大多为A型特殊星。一部分磁变星,不仅磁场周期性变化,光度和光谱也变化。光变周期1~25天,变幅一般不超过0.1等。

形成

当一颗大型恒星经过超新星爆发后,它会塌缩为一颗中子星,其磁场也会迅速增强。在科学家邓肯及汤普森的计算结果当中,其强度约为一亿特斯拉(108 Tesla),在某些情况更可达1,000亿特斯拉(1011 T,1015 Gauss),这些极强磁场的中子星便被称为“磁星”。而地球表面的天然地磁场强度,在赤道附近约3.5×10-5 T,在两极附近约7×10-5 T。

据估计,每大约十颗超新星爆发中,便会有一颗能成为磁星,而非一般的中子星或脉冲星。在它们演变成超新星前,自身需拥有强大磁场及高自转速度,方有机会演化成磁星。有人认为,磁星的磁场可能是在中子星诞生后首十秒左右,透过炽热内核物质的对流所产生的,情形就如一台发动机。如果在对流现象发生期间同时拥有高自转速度(周期约10毫秒左右),其产生的电流足以传遍整颗天体,便足够把其自转动能转为其磁场。相反,如果天体的自转速度较慢,其内核物质的对流所产生的电流不足以传遍整颗天体,只在局部区域流动。

短寿命

一颗磁星的外层含有等离子及以铁为主的重元素,在张力产生期间,天体会出现“星震”(starquake),这种地震能使天体释放强大能量,包括释出X射线暴及伽玛射线暴,天文学家把这种天体称为“软伽玛射线复发源”。

如果把一颗磁星看成为“软伽玛射线复发源”,它们的寿命相当短暂。“星震”会释出大量物质及能量,当中物质被困在自身的强大磁场中,继而在数分钟内蒸发殆尽,另外其他能以放射形式释出的物质,其动能来自天体的角动量,使磁星的自转速度减慢,且比其他中子星减得更快。转速减慢会连带其强大磁场一同减弱,到大约一万年后磁星的“星震”停止,期间仍会释出X射线,天文学家将之称为“不规则X射线脉冲星”。再过大约一万年后,其活动几近停止。“星震”属于一种瞬间的大型破坏,当中一些给人们直接记录,例如2004年12月27日的SGR 1806-20,随着天文望远镜的精确度日高,预计在未来人们能记录更多类似现象。 火星磁场消失之谜有新解:行星撞击是元凶

据国外媒体报道,火星磁场到底是如何消失的?来自加拿大多伦多大学的贾法尔·阿尔卡尼-哈梅德日前就该问题提出了一种新的观点。 阿尔卡尼-哈梅德认为,一颗曾在火星附近运行,后来又与之发生碰撞的较大小行星是导致火星磁场消失的真正原因。

在40亿年之前,刚形成不久的火星也曾拥有过磁场,而且其强度还与地球磁场非常接近。不过,火星磁场在存在了短暂的时间后便神秘地消失了。

在解释火星磁场消失的各种观点中,最主要的一种认为:随着火星核的冷却,其中液态金属的对流逐渐减弱,最终导致了磁场的消失。

为了揭开火星磁场消失的秘密,阿尔卡尼-哈梅德与同事们设计了一套新的计算机模型。他们认为,要想解释磁场消失的原因,首先应查清它是如何出现的。

加拿大科学家表示,当年推动火星液态核心内金属流运动的力量并非来源于火星内部,而是来自一颗被年轻的火星所俘获的大型小行星。

根据阿尔卡尼-哈梅德等人的计算,在太阳和木星的联合作用下,这颗小行星可能曾沿一条稳定的轨道绕火星飞行,两者之间的距离约10万公里。不过,在火星引力的作用下,该小行星开始逐渐地向火星靠近。当两者的距离接近到5-7.5万公里时,小行星所产生的引力已足够打破火星核内部原有的平衡,并诱发其中金属流的运动,进而产生出磁场。小行星在火星上诱发磁场的过程持续了大约5000-15000年。

在此之后,小行星仍在不断地向火星靠近并使后者的磁场又维持了数百万年的时间。阿尔卡尼-哈梅德认为,如果该小行星的自转方向与火星的保持一致,或者其沿相反的方向绕火星旋转,那么火星磁场还有可能维持更长的时间。

最终,在火星引力的作用下,这颗小行星发生了分裂,有此产生的大量碎片落向火星并孕育出了一些庞大的环形山。

随着小行星的解体,火星磁场也随之消失了(确切地说,应是减弱为原先的数百分之一)--火星核内部原有的对流现象太弱,不足以孕育强大的磁场。

而磁场的消失可能还在火星气候变化的过程中发挥了极其重要的作用。据科学家们估价,在磁场消失后,火星的气候逐渐由原先的温暖湿润变得寒冷干旱。

火星磁场消失之谜有新解:火星内核被熔化

瑞士科学家们通过实验室模拟实验得出结论称,数亿年前就消失了的火星磁场不久后将再次恢复。据《新科学家》杂志报道称,科学家们研究发现,火星的部分内核被熔化是导致火星磁场消失的主要祸首。

以瑞士联邦工学院(位于苏黎世)的安德鲁-斯图阿尔特为首的瑞士科研小组通过模拟实验成功再现了火星内核部分地区的压力和温度。在此次模拟实验中,科学家们利用填充了铁、镍和硫混合物的金刚石密封舱,它的压力被调节到了40兆帕斯卡。通过实验,研究人员成功发现,在火星内核温度达到1500开氏度时,密封舱内的混合物应该处于液态状。不过内核外层会出现固化现象。当然,只有在火星内核中硫的含量不超过10.6%时才会出现上述现象。科学家们称,这可以解释火星的磁场为何消失了,同时也可以解释地球的磁场为何至今仍然存在。科学家们认为,地球磁场之所以至今依然存在,就是因为地核内部是固态的。固态地核内层与被熔化了含大量铁的外层相互摩擦便产生了地球磁场,其工作原理类似于直流发电机。

科学家们表示,如果火星内核被熔化了的部分能够重新结晶变成固态形式,那么消失已久的火星磁场还将再次出现。