太陽磁場和太陽風 太陽和大多數恆星都是炙熱火紅的等離子球。等離子 體是物質的第四種狀態，類似於氣體，但當中大部分粒子 都已經離子化，並以極高速移動 [1]。由於太陽溫度極高， 所以當中一些粒子擁有足夠的動能逃離太陽引力 [2]，這 些從太陽表面噴發出的帶電離子和電子形成了太陽風。 這些高速流動的帶電粒子顧名思義就是電流，它們構 成了太陽強力而混亂的磁場（註一）。太陽風使太陽系被太 陽圈磁場（heliospheric magnetic field，又稱為行星際 磁場，即interplanetary magnetic field）覆蓋 [3]，正 如假想的磁場線所示，有些磁場線在太陽內形成閉合的迴 圈，有些則延伸到太陽系的遠處（圖一）[4]。 地球原本擁有環狀（toroidal，即甜甜圈狀）的磁場， 可是在太陽風的猛烈轟擊下，令面對太陽一方的磁場線受 到擠壓，而另一側的磁場線則被拉長成尾狀（圖二）[3]。這 種動態的拉鋸讓地球的整體磁場呈彗星狀的外觀。當太陽 風抵達地球時，地球磁場會使帶電粒子轉向，保護我們免 受這些有害粒子的侵襲 [3]。 圖二 地球磁場（藍線）使太陽風（綠黃）偏轉的示意圖。地球磁場 的晝側（面對太陽的一側）被壓縮，而夜側被拉長成尾狀 [5]。 圖片來源: NASA 磁重聯 當太陽磁場與地球磁場重疊並互相影響時，兩者的磁 場線能以不同方式排列 [6]。試想像當用力將兩塊磁極相 同的磁鐵推向對方，相反方向的磁場線互相接近時會發生 甚麼事呢？ 基於澳洲物理學家Ronald Giovanelli於1946年提 出的「磁重聯」概念，科學家發現方向不一致的磁場能導 致磁場線斷裂後以全新的方式連接 [7, 8]。 在磁重聯發生之前，當帶著太陽磁場的太陽風接近地 球時，我們星球的磁場會被扭曲，就像拉長的橡皮筋儲存 彈性勢能一樣累積磁能。當兩個磁場靠得太近最終觸發 磁重聯時，原來的磁場線會斷裂並以全新方式重新連接。 就像突然鬆開拉長了的橡皮筋一樣，磁場會釋放巨大的能 量，使等離子粒子加速至極高速度。 在磁力影響下，等離子粒子會沿磁場線以螺旋運動 的方式向兩極移動，並從兩極反射回來。因此它們會在 兩極間穿梭，困在被稱為Van Allen輻射帶（Van Allen Radiation Belts）的區域 [3, 9–11]。兩極正是地球甜甜 圈狀磁場兩個洞的所在位置，稱為極尖，帶電粒子循著這 個漏斗形通道被引導向下（圖三）[12]。雖然大部分粒子都 會在兩極被反射回去，但有些高能量粒子會透過極尖從磁 場漏走，並與地球上層大氣中的分子產生作用 [9]。 圖三 地球的甜甜圈狀磁場與南北極尖，等離子粒子會在極尖的漏 斗形通道中被引導向下 [13]。 圖片來源: Andøya Space Center/Trond Abrahamsen
RkJQdWJsaXNoZXIy NDk5Njg=