太阳风对地球磁场的影响VIP专享VIP免费

太阳风对地球磁场的影响陈宽达关键词：太阳风，地球磁场，回旋运动，重力漂移。一、众所周知，地球磁场在太阳风的吹袭下会发生收缩，太阳风对地球磁场的影响作用是以什么方式进行的呢？本文尝试着在电磁学框架内提出这一问题可能的一些解释。二、1.太阳风：太阳风是一种连续存在，来自太阳并以200-800km/s的速度运动的等离子体流。太阳风有两种：一种持续不断地辐射出来，速度较小，粒子含量也较少，被称为“持续太阳风”；另一种是在太阳活动时辐射出来，速度较大，粒子含量也较多，这种太阳风被称为“扰动太阳风”。太阳风风主要由质子，电子和氦核等组成，其中质子占正离子部分的99%以上。其平均速率大约为。（以上数据出自百度百科词条“太阳风”）为了简化起见，假设太阳风是由等数量密度的电子和质子组成，即。估算太阳风粒子的平均自由程，以检查是否可将其近似为自由粒子。平均自由程的计算公式为：，其中n为粒子密度，为碰撞截面。对于太阳风，有质子（电子）的平均密度为，对于质子，其碰撞截面约为，则：=。考虑到太阳与地球之间的距离仅为1011m,太阳风粒子在到达地球的过程中极少发生碰撞，则可以把太阳风的粒子当做自由粒子考虑，忽略粒子间的碰撞。2.地球磁场：考虑地球附近宇宙空间的磁场。在这种较大的尺度下，将地球假设为一个小的电流圈。已知地球磁极处磁场为0.8G,地球半径为6400km，由磁偶极子的磁感应强度公式：算得的大小约为。为了使计算方便，在下面的计算中，假定磁矩的方向与赤道方向垂直，且此小电流圈与地心重合。3.太阳风粒子与地球磁场的相互作用：3.0.把太阳风的粒子当做自由粒子考虑，忽略粒子间的碰撞，考虑粒子受力：，其中和分别为太阳风所处空间中的电场强度和磁感应强度，q为粒子带电量，m为粒子质量，g为粒子所在高度的重力加速度。对较大尺度范围，假设太阳风是由等数量密度的电子和质子组成，即为电中性的，则可认为空间电场力为0。简化上述公式，得：，由牛顿第二定律得到粒子的运动方程：=,对于单个粒子明显有重力远小于洛伦兹力，先考虑洛伦兹力本身带来的影响，再叠加上重力进行修正。先解=。对于垂直磁场方向有：即回旋运动，其中为垂直与磁场方向的分速度大小。由此得回旋运动的频率为f=，回旋半径为。对于平行磁场方向有：,即粒子在平行磁场方向沿着磁力线做匀速运动。再解=。只考虑垂直磁场方向，令=0。将垂直磁场方向的速度分解为，其中为回旋速度。假设，由于满足，代入=得：=0,两边，得：()=0,由于，可得：，为常数，假设成立，即得到重力漂移速度：，对于质子，取g=9.8，B=估计其数量级：.—=，可见其远小于粒子本身的速度，即可以把重力漂移运动可看作为回旋运动中心的移动。3.1.首先考察回旋运动对地球磁场的影响：由于粒子的回旋运动产生与原磁场方向相反的磁矩，则可以将太阳风作为抗磁介质处理。对太阳的每种粒子，有：其中M为太阳风的磁化强度，为单个粒子的磁矩，n0为太阳风的质子（电子）密度，ia为单个粒子回旋运动的等效电流，Sa为回旋运动扫过的面积，为Sa的法向量，其方向与的方向相反。由微观电流公式，可得单个粒子回旋运动的等效电流为：，回旋运动扫过的面积为：S=，其中rc为粒子的回旋半径。将上面两式代入得：其方向与的方向相反。其中即为垂直速度的平均值，又由于磁场方向在一定区域内是恒定的，则有垂直速度的平均值等于速度平均值的垂直分量，即=n0。则原式化简为：—2由于太阳风中有两种粒子独立作用，且将电子与质子看做是等温的，即有，则有：=，由于与方向平行，仅研究其大小关系。将太阳风作为抗磁介质处理，引入磁场强度H，由磁场强度与磁感应强度的关系，得：=。整理得到关于B的二次方程：由于B的物理意义，要求B不为虚数，则要求即：，对于赤道上空的区域，有v==代入，得：=0.065Am-1。又根据地球磁场的假设，有磁场厚度d==4.6实际上测得地球磁场的厚度在5左右（数据出自百度百科词条“地球磁场”），与估算值比较接近。由公式：=，得且，即可以得到结论：①当太阳风能量的带电粒子速度越大时，地球磁场越薄。②当v不变，太阳风所处的位置相对地球纬度越高时，v的垂直分量减少，地球磁场越厚。...