太阳风对地球磁场的影响

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1、专业资料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

2、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

3、。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：，WORD完美格式下载可编辑专业资料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

4、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

5、常数，假设成立，即得到重力漂移速度：WORD完美格式下载可编辑专业资料，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

6、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：WORD完美格式下载可编辑专业资料=，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，

7、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。③　当太阳风的粒子密度越高时，地球磁场越薄。3.2.其次考虑重力漂移对地球磁场的影响：由3.0得到重力漂移速度：WORD完美格式下载可编辑专业

8、资料为方便起见，只考虑地球赤道上空的太阳风粒子受力情况。由于此处地球重力方向与磁场方向相垂直，则漂移速度公式简化为：，其方向垂直于重力和磁场方向，即粒子的回旋中心在赤道平面围绕地心做半径为r的圆周运动。对于电子有：.，对于质子有：.—，即电子与质子运动方向相反，产生电流。由于重力漂移电流与