每个星体的磁场都不一样，
形成的空间环境也非常独特，
因此磁场对星体的环境
起了很重要的控制作用。
张辉：星球的记忆，圈层的罗盘,格致论道讲坛,25分钟
我是来自中国科学院地质与地球物理所的张辉，非常荣幸，今天能够在这儿介绍关于月球磁场方面的一些进展。
头顶一个球
我的专业叫空间物理专业。1998年，我进入了北京大学地球物理系，空间物理是其中一个专业。可能很多人对空间物理并不是特别了解，空间物理研究的是太空里带电粒子和电场磁场的相互作用，以及它们产生的各类空间环境效应。

空间物理是一个比较小众的专业，像天文这样比较大众的专业大家会比较了解，两者有什么区别呢？有一个不成文的定义，人类探测器所能达到的范围区域，是空间物理管的区域，更远就是天文学管的区域。
空间物理这个行业是被不同国家的卫星任务所牵引的。回想起来，我个人的科研经历也是和这些卫星计划紧密地绑在一起。2002年左右，我进入研究生的学习阶段，那时发生了一件好事——2000年，欧空局发射了一个4颗卫星组成的星簇计划（Cluster）；2003年，在中国科学院国家空间科学中心的牵引下，中国发射了第一颗以科研为目的的人造卫星，叫双星计划，从而加入到Cluster计划。我是2002年进入这个行业的，所以有幸可以用这两组卫星的数据做科学研究。
到了2007年，美国也发射了“一箭五星”，其中的5颗卫星按照不同距离排列在地球磁场所控制的范围，这个卫星计划叫THEMIS计划。正好这一年，我博士毕业，所以就有机会到加州大学洛杉矶分校，利用这5颗卫星的数据做地球磁场相关现象的研究。

▲NASA的THEMIS卫星计划（2007)
磁场有一个很重要的特点，就是像弹簧一样能一张一弛。被拉伸的时候，它储存能量，但是松弛的时候，它就释放能量。在这样一张一弛的过程，在空间里加速一些带电粒子，最终产生极光现象。这是一个非常好的能量转换过程。
2007年10月份，我到美国进行博士后的研究，那时又发生了一件大事：中国发射了嫦娥探月的第一颗卫星，就是“嫦娥一号”计划。

▲2007年“嫦娥一号”在西昌卫星发射中心发射
到2010年的时候，这个计划继续发射了第二颗卫星，即“嫦娥二号”探测计划，同时也宣布了后面一系列的探月工程和嫦娥卫星的计划。

▲2010年“嫦娥二号”在西昌卫星发射中心发射
中国探月进行得热火朝天，美国有点坐不住了。2011年，美国将THEMIS计划中最远的2颗卫星转移轨道，让其绕着月球旋转，探测月球磁场以及月球空间环境的现象。这时，THEMIS 的5颗卫星计划还没有完成，但是导师就让我转到研究月球空间环境方面的研究中来，因为相对来说研究的人比较少，我们对月球空间环境的了解比较少，在各个国家也是一个热点。

事实上，这时候中国的嫦娥探测任务在国际上掀起了第二波探月高潮。第一波大家都熟悉，是在1958年卫星上天以后，美国和苏联竞赛很快掀起了包括阿波罗计划、苏联的Luna在内的月球探测高潮，后面就沉寂了一段时间。2007年，中国嫦娥计划实施以后，很多国家都在计划或者已经发射卫星探测任务。

2010年，我在这样的环境下回到中国科学院地质与地球研究所。当时中国在万卫星院士的推动下，积极推动行星科学一级学科的建设与研究。我是研究月球的，我的很多同事在研究太阳系里其他的一些行星，这就形成一个局面——每个人头上都顶着一个球。

独一无二的星体磁场
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太阳系里的这些星体有一个很重要的控制参数——行星的磁场。每个星体的磁场都不一样，形成的空间环境也是非常独特的，因此磁场对星体的环境起了很重要的控制作用。
我们都知道磁场是由电流产生的，安培定律、毕奥-萨伐尔定律已经把电流能产生磁场的事情说得很透彻了。但是这个理论有个很重要的提示，就是电流可以局限在一个比较小的区域内，但是产生的磁场可以延伸到无穷远的地方。反过来看的话，这就给了我们一个有效探测的手段——如果在很远的地方探测到一个磁场，那么就可以知道电流体系的变化，而电流体系的变化是由物质性质变化造成的，所以就能知道产生电流所在地的物质性质。

对于星体而言，它的磁场虽然都是由电流产生的，但是本质来源可能各有不同。比如像地球一类的星体，是由地核里熔融岩浆的动力学过程产生的磁场。而像木星、土星这一类气态的行星，是由底层大气的动力学过程造成的。当然，太阳也有自己的磁场，它的磁场是由内部热核反应形成的一种等离子体组成的，这种等离子体我们称之为物质第四态。我们是怎么了解星体磁场的呢？其实是通过外部磁场去推演内部的动力学过程，从而获得的信息。

▲左：地球的熔融地核中：土星的电离大气右：太阳的核聚变以及等离子体
磁场在地学研究里是非常重要的一个参数。以地球为例，地球有全球性的、我们称之为偶极场的磁场，所以地球就像一个大磁铁一样。
磁场有一个很重要的性质，即能够阻碍带电粒子的运动。太阳时时刻刻地向外喷射带电粒子，也就是太阳风。太阳风的速度极快，大约一秒钟400公里到1000公里，也就是从北京到广州可能一秒钟就到了。这样一个高速流体的运动如果冲击到地球的大气，很可能会把整个大气冲散，地球大气都没有了。
如果地球大气没有了，那就面临一个更严重的问题——射线。各种高能量的粒子、电磁的辐射会照射到地球上，而大气正是发挥了吸收这些高能的粒子或射线的作用，从而保护地球表面，提供了一个宜居环境。

空间站有做一些种子的实验，把地面的种子拿到400公里以外的中国空间站上。这些种子回地球以后，会长出来各种奇奇怪怪的一些植物，就是辐射造成的。地面上不可能出现这种现象，否则我们的生物可能会发生很多变异。这足可见大气对环境的保护作用。
地球磁场是不是一直能够保护我们呢？不一定。地球磁场有一个很重要的现象，叫地磁反转。每隔一两百万年，地球磁场的南极和北极就会在1000年的时间里渐渐对调。在发生反转的1000年时间里，磁场的强度会急剧降低，还会产生偏离偶极场的小尺度结构，从而不再是一个偶极场，而是四级场、八级场。

我们所的魏勇研究员前些年进行过一个有意思的工作。他通过化石里提取的信息，发现地球上每次磁场反转的时候，总是会对应上化石记录下空气中的氧含量急剧降低的时候，同时，那段时间的生物多样性也会降低。这是否说明，磁场强度的衰减最后造成了生物灭绝呢？这为研究地球上的生物演化提供了一个全新的思路，以及新的维度，至少是一个值得考虑的问题。

▲倒转周期与生命演化周期呈现出了奇妙的相关
现在的地球怎么样呢？过去的几百年，我们看到地球的磁场是偏离偶极场，有一些小尺度结构的。其中，最出名的就是南大西洋区域。这个地方的磁场会出现异常小的情况。在过去的几百年范围内，这个区域不断地变化，而且不断地扩大，位置也在摆动。这说明地球内部的动力学确实在发生变化。

▲南大西洋异常(SAA)
人类有历史记录才五千年，但是地球磁场反转一次就要跨越千年的尺度。在未来千年里，地球磁场会不会反转呢？南大西洋的地磁异常是一个信号。我们国家也很重视，并在近期发射了电磁监测卫星“澳科一号”，其中对南大西洋异常区地磁异常的监测，是一个很重要的科学目标。

▲中国地震电磁监测试验卫星 （后）和澳科一号（前）
生活在地球是相对幸运的，至少人类存在的时候有磁场一直在保护着我们，其