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Cluster衛星群資料顯示地球的弓形震波層只有17公里厚

臺北天文館_96
・2011/11/24 ・1570字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 566 ・九年級

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英國國王學院科學家Steven Schwartz等人,藉由歐洲太空總署(ESA)由4架衛星組成的Cluster衛星群觀測資料,發現太陽風遭遇地球磁場所形成的弓形震波(bow shock)非常薄,厚度只有17公里而已。像這樣的薄震波區,通常是粒子加速的早期階段所在之處。這項發現可能有助於解決有關背景宇宙線的粒子加速理論的爭議。

宇宙中的大部分重子物質(baryonic matter) 是帶電粒子和離子,即所謂的「電漿(plasma)」。電漿流可在各種大小的空間尺度中移動,穿透行星之間的行星際空間,也會穿越恆星之間的星際空間或星系之間的星系際空間。當超音速(supersonic)電漿流遇到如行星或恆星磁場、另一股速度慢一點的物質流等阻礙時,會產生震波(shock wave,或譯為衝擊波)。

天文學家在多種宇宙環境中都曾觀測到這種突然從超音速流轉換至亞音速流(subsonic)的狀況,其中比較顯著的是年輕和大質量恆星的恆星風、超新星爆炸的殘骸和電波星系(radio galaxy)產生的噴流和波瓣(lobe)等遭遇周圍星際介質的情況。以電波、X射線和伽瑪射線波段觀測時,可以清楚呈現這些震波與宇宙中能量最高的粒子—宇宙線(cosmic ray)的起源有密切相關。

雖然目前已知這些震波是非常有效率的粒子加速場,對於已經被加速到能量相當高的粒子,又從此能量門檻被加速到更高能量現象的物理機制,科學家們已經頗為瞭解。但目前並不清楚粒子如何與震波交互作用以獲取能量的機制究竟為何,尤其是宇宙線粒子加速的早期階段,這些粒子究竟是怎麼進入粒子加速場,可能是個非常複雜的過程,對天文物理學家而言,是個亟待探索的領域。

離地球最近的這類粒子加速區,其實就在地球上空—因太陽風與地球磁層相互遭遇而形成的弓形震波層,尤其是弓形震波層的厚度,是研究粒子加速物理過程的關鍵參數。Schwartz等人從Cluster衛星群資料發現:地球的弓形震波厚度只有17公里,比他們原本認為的薄了許多,這也顯示這類粒子加速場的工作效率遠超過科學家們之前預期的程度。

Cluster衛星群發射於2000年,由4架衛星組成艦隊隊形,以繞極軌道繞行地球,因此可由其觀測資料同時獲知某地球周圍事件的空間和時間變化,以及溫度等電漿中的粒子物理性質。科學家曾在2003年時,分析Cluster衛星群的資料,獲得地球弓形震波層的厚度上限頂多為100公里。而Schwartz等人的最新分析結果更將弓形震波層的厚度降至只有17.3公里,不到2003年估計的1/5。

The magnetic field and electron temperature in the plasma surrounding Earth bow shock. Image courtesy of Steven Schwartz, Imperial College London  Schwartz等人挖掘Cluster的觀測資料庫,發現2005年1月9日有一組Cluster衛星群逐漸穿越震波層的資料。由於穿越速度緩慢,所以弓形震波層隨太陽風改變而引起的擾動非常小,因此時間解析度細達250毫秒,衛星群可以取得非常精確的粒子族群樣本資料,粒子分佈在震波層的空間解析度也非常好。當衛星逐漸進入這電漿震波層的過程中,記錄到電子經歷非常劇烈而突然的溫度陡升現象,幾乎已接近波散(wave dispersion)的極限,意味著這個震波層非常薄;而在物理上,薄層的加速效果更好。

鄰近超薄震波層之處,一種稱為「多次反射(multiple reflection)」或「衝浪(surfing)」的粒子加速機制會變得特別有效率。離子速度起初很慢,僅相當於數keV能量等級,隨著在震波層中重複的來回反射跳躍,能量就愈來愈高。震波起初就像一堵牆,離子無法穿越;但當離子能量隨著來回跳躍升高到0.5MeV以上時,它就能突破震波這堵障礙而離去。(點選此處觀看動畫

這個機制可能是粒子進入宇宙加速器的最佳解釋,如果震波層夠薄,粒子能量就可被加速到高能量級門檻,然後才有機會再藉由別的機制來加速1GeV,這是目前宇宙線研究所偵測到最高的粒子能量等級。

Schwartz等人很高興的說:即使只是研究自家門前的局部現象,也能對瞭解整個宇宙的粒子加速機制做出重要貢獻。

資料來源:Cluster reveals Earth’s bow shock is remarkably thin[2011.11.16]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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看不見的歐若拉——物理學家解釋火星上極光的成因
Ash_96
・2022/07/05 ・4548字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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極光。圖/envato elements

形成極光的要素有三,其中之一就是磁場。地球具有覆蓋全球的磁場,可以在兩極地區生成北極光和南極光;然而,火星沒有覆蓋全球的磁場,因此火星上的極光並非出現在兩極,只能在特定區域生成。

近期,愛荷華大學領導的研究團隊,根據美國航空暨太空總署(NASA)火星大氣與揮發物演化任務(MAVEN)探測器的數據,確認了火星離散極光是由太陽風和火星南半球地殼上空殘存的磁場相互作用所生成

極光三要素:大氣、磁場、高能帶電粒子

在介紹火星前,讓我們先把鏡頭轉到地球,談談地球上的極光在哪裡形成,以及如何形成。

地球極光出現的區域稱為極光橢圓區(auroral oval),涵蓋北極與南極地區,但並非以兩極為中心;換句話說,極光橢圓區也涵蓋了極圈以外的部分高緯度地區。另外,極光橢圓區的寬度與延伸範圍,會隨著太陽黑子 11 年的循環週期而變動。

當太陽風和地球磁層的高能帶電粒子被地球磁場牽引,沿著磁力線加速往高緯度地區移動,最後和大氣中的原子碰撞時,就會形成多采多姿的極光。

綜合以上所述,可以得知極光的三個要素是:大氣、磁場、高能帶電粒子。

地球上這些「指引我們美妙未來的魔幻極光」,若屬於可見光波段,就能用肉眼觀測,並以相機記錄這夢幻舞動的光線。

極光橢圓區與地理北極、地磁北極相對位置圖。其中紅色實線表示極圈範圍,綠色區域則為極光橢圓區。圖/National Park Service

火星的大氣層、磁場以及離散極光

在介紹離散極光之前,得先介紹它的幕後推手——行星際磁場(Interplanetary Magnetic Field,IMF)。IMF就是太陽風產生的磁場,在行星際空間主導著太陽系系統內的太空天氣變化,並阻擋來自星際間的高能粒子轟擊。

那麼 IMF 是如何產生的呢?當太陽風的高能帶電粒子從太陽表面向外傳播,會同時拖曳太陽的磁力線一起離開;太陽一邊自轉一邊拋射這些粒子,讓延伸的磁力線在黃道面上形成了螺旋型態的磁場。

以蛋糕裝飾來說明的話,太陽就像是在轉盤上的蛋糕,太陽風粒子就是擠花裝飾;而當蛋糕一邊以固定速度自轉,擠花逐漸向外擴散的同時,就會在蛋糕產生螺旋狀的軌跡。

因為太陽一邊自轉,一邊拋射太陽風的關係,IMF的磁力線會扭曲呈現如圖的螺旋狀。圖/維基百科
蛋糕的螺旋狀擠花。影片/Youyube

對太陽風和 IMF 有基本認識之後,讓我們把鏡頭轉向火星,談談火星的大氣層和磁層和地球有什麼不同。

相較地球來說,火星的大氣層非常稀薄。這是因為太陽風的高能粒子轟擊火星大氣層,強大的能量將大氣層的中性原子解離為離子態,導致大氣層的散失;該過程稱作濺射(sputtering),發生在火星大氣層的濺射主要透過兩種方式達成—–第一,在 IMF 的作用之下,部分的離子會環繞磁力線運動,隨著 IMF 移動而被帶離火星;另外一部份的離子則像撞球一般,撞擊其他位於火星大氣層頂端的中性原子,引發連鎖的解離反應。 

MAVEN 任務的領銜研究員 Bruce Jakosky 說明,根據團隊研究的成果,太陽風的濺射效應會將火星大氣層中的惰性氣體氬解離,並將這些氬離子從大氣層中剝離。火星大氣層內氬的同位素(質子數相同,但是質量不同的元素)以氬-38 以及氬-36 為主,後者因為質量較小而較容易發生濺射。

藉由氬- 38 和氬-36 的佔比,Jakosky 的團隊推估火星約有 65% 的氬已經散逸至外太空。基於該研究結果還可以推算出火星大氣層中其他氣體的散逸情形;其中又以二氧化碳為焦點,畢竟行星需要足夠的溫度才能維持液態水的存在,而二氧化碳在溫室效應有很大的貢獻。

火星的大氣層因為太陽風的濺射效應逐漸被剝離。圖/NASA

接著,讓我們一探究竟火星磁場與地球有何不同。地球能形成全球磁場的奧秘是什麼呢?這要先從行星發電機理論開始說起,該理論指出行星要維持穩定的磁場有三個要件——導電流體、驅動導電流體運動的能量來源、科氏力。

以地球為例,地核內部保留了地球形成初始的熱能,約有 4000°C 至 6000°C 的高溫。位於地核底層的高溫液態鐵,因為密度下降而上升至地核頂端,接觸到地函時,這些液體會喪失部分熱能而冷卻,因為溫度比周圍環境低,密度變高而下沉;如此不斷的熱對流循環下,讓帶有磁力的流體不斷運動,進而形成電磁感應。另外,科氏力的作用讓地球內部湧升的流體偏向,產生螺旋狀的流動效果,有如電流通過螺旋線圈移動的效果。

在火星所發現的地殼岩石證據顯示,火星在數十億年前曾經和地球一樣具有全球的磁場。科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚,其中一種假說認為可能跟火星質量較小有關,在火星形成之初散熱較快,造成火星外核液態鐵短時間內就凝固,無法像地球一樣,保留高溫地核使液態的鐵和鎳因為密度的變化,不斷從地核深處上升至地函,再冷卻下降,持續進行熱對流。

火星地核內部缺乏驅動導電流體的原動力,導致火星內部的發電機幾乎停止運轉,無法形成全球的磁場。話雖如此,火星仍然具備小區塊的磁場,主要分布在火星南半球留有殘存磁性的地殼上空。

行星發電機理論中科氏力影響行星地核內熱對流的導電流體偏向。圖/Wikipedia

磁層與大氣層相互依存,火星在太陽風不斷吹襲之下,大氣層愈趨稀薄;火星內部又缺乏發電機的動力,無法形成完整的磁層。火星缺乏厚實的大氣層保護,就難以阻擋外太空隕石的猛烈攻勢,因此如今呈現貧瘠乾燥又坑坑疤疤的外貌。

既然這樣,看似缺乏極光形成要素的火星,又是如何形成極光的呢?

雖然火星沒有覆蓋全球的磁層作為保護,但火星南半球仍帶有區域性的磁場。在那裡,磁性地殼形成的殘存磁場與太陽風交互作用,滿足了極光生成的條件。這種極光被稱為「離散極光」,與地球上常見的極光不同,有些發生在人眼看不見的波段(比如紫外線),所以也更加提升了觀測難度。

那麼,研究團隊是怎麼發現這種紫外線離散極光的呢?那就是藉由文章首段提到的 MAVEN 探測器所搭載的紫外成像光譜儀(Imaging Ultraviolet Spectrograph,IUVS)!

該團隊的成員 Zachary Girazian 是一位天文及物理學家,他解釋了太陽風如何影響火星上的極光。

火星離散極光的發現

研究團隊根據火星上離散極光的觀測結果,比較以下數據之間的關係——太陽風的動態壓力、行星際磁場(IMF)強度、時鐘角和錐角[註 1] 以及火星上極光的紫外線,發現在磁場較強的地殼區域內,極光的發生率主要取決於太陽風磁場的方向;反之,區域外的極光發生率則與太陽風動壓(Solar Wind Dynamic Pressure)關聯較高,但是太陽風動壓的高低則與極光亮度幾乎無關。

N. M. Schneider 與團隊曾在 2021 年的研究發表提到,在火星南緯 30 度至 60 度之間、東經 150 度至 210 度之間的矩形範圍內,當 IMF 的時鐘角呈現負值,如果正逢火星的傍晚時刻,較容易觀測到離散極光;也就是說在火星上符合前述的環境條件很可能有利於磁重聯(Magnetic Reconnection)——意即磁場斷開重新連接後,剩餘的磁場能量就會轉化為其他形式的能量(如動能、熱能等)加以釋放,例如極光就是磁重聯效應的美麗產物。

未來研究方向:移居火星

因為火星上離散極光的生成與殘存的磁層有關,而磁層又關乎大氣的保存。所以觀測離散極光的數據資料,也能作為後續追蹤火星大氣層逸散情形的一個新指標。愛荷華大學的研究成果,主要在兩個方面有極大的進展——太陽風如何在缺乏全球磁層覆蓋的行星生成極光;以及離散極光在不同的環境條件的成因。

人類一直以來懷抱著移居外太空的夢想,火星是目前人類圓夢的最佳選擇;但是在執行火星移民計畫之前,火星不斷逸散的大氣層是首要解決的課題。缺乏覆蓋全球的大氣層保護,生物將難以在貧瘠的土壤存活。或許透過火星上極光觀測的研究成果,科學家們將發掘新的突破點;期許在不久的將來,我們能找到火星適居的鑰匙。

  • 註1:IMF 的時鐘角(Clock Angle)與錐角(Cone Angle)

如何判定 IMF 的角度呢?因為磁場空間是立體的關係,我們測量 IMF 方向切線與 X、Y、Z 軸之間的夾角——也就是運用空間向量的概念,來衡量 IMF 的角度。時鐘角是指 Y、Z 軸平面上,IMF 方向與 Z 軸的夾角;而錐角則是在 X、Y 平面上,IMF 方向與 X 軸之間的夾角。

IMF 時鐘角和錐角示意圖。圖/ResearchGate

參考資料

  1. Science Daily. Physicists explain how type of aurora on Mars is formed.
  2. Z. Girazian, N. M. Schneider, Z. Milby, X. Fang, J. Halekas, T. Weber, S. K. Jain, J.-C. Gérard, L. Soret, J. Deighan, C. O. Lee. Discrete Aurora at Mars: Dependence on Upstream Solar Wind Conditions. Journal of Geophysical Research: Space Physics, Volume 127, Issue 4.
  3. Michelle Starr. Mars Has Auroras Without a Global Magnetic Field, And We Finally Know How. ScienceAlert.
  4. Michelle Starr. For The First Time, Physicists Have Confirmed The Enigmatic Waves That Cause Auroras. ScienceAlert.
  5. Southwest Research Institute. SwRI Scientists Map Magnetic Reconnection In Earth’s Magnetotail.
  6. 呂凌霄。太空教室學習資料庫
  7. 頭條匯。火星上的「離散極光」是如何形成的?物理學家有新發現,帶你揭秘
  8. Wilson Cheung。【北極物語】承載北極文化──極光。綠色和平
  9. 大紀元。火星上的極光是如何形成的? 科學家解謎
  10. BBC News 中文。北極光:美國科學家首次在實驗室驗證北極光產生原理
  11. 明日科學。科學團隊藉由 NASA 的太空船所收集的資料得知火星大氣層的流失可能肇因於強烈的太陽風
  12. 台北天文館。NASA 首次繪製火星周圍電流分布圖,證實火星有磁場。科技新報。
  13. 交通部中央氣象局太空天氣作業辦公室。太空天氣問答集
  14. Denise Chow. In an ultraviolet glow, auroras on Mars spotted by UAE orbiter. NBC News.
  15. NASA. NASA Mission Reveals Speed of Solar Wind Stripping Martian Atmosphere.
  16. NASA Goddard. NASA | Mars Atmosphere Loss: Sputtering.
Ash_96
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外交系畢業,很多人看成外文(是不是又回頭看一次? ) 常常在外向與保守的極端之間擺盪;借用朋友說的詞彙,我屬於營業式外向。 喜歡踩點甜點店和咖啡廳,大概是嚮往那種文青都會女子的感覺,或是純粹愛吃。 喜歡k-pop ,跳舞的時候會自動設定為開演唱會模式,自我催眠現在我最帥。

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內建超強GPS!研究發現狗狗靠南北短跑定位,找出最佳回家路線
何如
・2020/08/17 ・2542字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 523 ・七年級

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眾所周知,狗狗有著一副靈敏的好鼻子,能夠感知周遭環境變化,然而不僅如此,最近更有研究指出,牠們可能還具有另一項隱藏能力——自動導航功能。這項功能就像狗體內擁有能感應磁場的羅盤,可讓牠們利用地球磁場推算陌生地形上的捷徑。

新研究發現,狗從陌生地折返回原點的方式有兩大類:一是隨著氣味依循原路回去的「原路折返」,二是從全新的路跑回來的「偵查折返」,其中有些採用偵查折返的狗會在回程時出現「沿著南北軸短跑」的現象,出現這種行為的狗,更有機會以最短的路徑回到牠們的主人身邊。

圖/Pixabay

磁感悄悄出現?曾經發現狗會「定位」

「(導航能力)這是第一次在狗身上發現」,研究海龜磁感與導航的生物學家凱瑟琳.羅曼 (Catherine Lohmann)註1 如此說道。

她提到,跟鳥類等遷徙動物比起來,對於狗身上導航能力的研究其實相對少得多。英國斑戈大學註2研究鳥類導航的生物學家理查.荷蘭 (Richard Holland) 則附和道:「這是洞察狗如何建構牠們對於整個空間的畫面的機會。」

不過關於狗、其他動物甚至是人類「或許能夠感知地球磁場」這樣的情形,其實早已有過一些線索。2013年,已經研究磁接收 (magnetic reception) 30年的捷克學者海尼克.布爾達 (Hynek Burda)註3 和他的同事就表示,狗在排尿和排便時會傾向將自己定為南北向,而同時,因為這樣的行為與標記辨認領地有關,所以布爾達將這種定位校準解釋為「能夠協助狗釐清現在的位置與周遭的相對關係」。

然而,這種穩定不變的校準(白話文:知道東西南北),跟導航能力其實是兩回事。

隨意跑開後,狗竟然能從一條完全陌生的路折返?

在新的研究當中,布爾達的學生卡提捷娜.班尼迪克托瓦 (Kateřina Benediktová) 先將攝影機和 GPS 追蹤器放在4隻狗身上,然後再帶牠們到森林裡,接著讓狗四散而去,去追尋平均約 400 公尺外的動物氣息。

有趣的是,GPS 追蹤器顯示狗在回程路上(跑回向牠們的主人)出現兩種行為:一是「原路折返 (dubbed tracking),可能就是隨著氣味以沿著牠來時的路程回去;另一則是「偵察折返 (scouting),也就是從一條全新的路跑回來。

圖/eLife

當卡提捷娜將獲得的實驗結果資料給布爾達看時,布爾達發現了一個奇怪的特性:在偵察折返的途中,狗會突然停下然後先向著南北軸跑個 20 公尺左右,才再又開始往回跑。那種短暫的 20 公尺小跑有點像是要校準磁場方向的模樣,但卡提捷娜還沒有充足的資料可以肯定這樣的推論。

於是他們擴展了這項研究計畫,幾乎人人都有養一隻獵犬的狩獵管理與野生動物學系註4的同事也投入研究,3年來透過27 隻流浪狗進行數百次實驗。

在進入森林實驗時,研究團隊會試著避免給予狗其他能夠辨識方向的線索。只要情況允許,狗都會被帶到從沒去過的森林裡的一處,如此一來牠便不能依靠熟悉的地標來找路。同時主人會在牠開始漫步時就躲起來,以免狗是藉由看見主人而跑回來。另外,由於狗跑回來時,風向很少是從主人吹向狗的,所以氣味也不太會造成影響。

研究人員仔細看了 223 例的偵查折返狀況,發現狗會在回程時平均漫步約 1.1 公里的距離,而這當中有 170 次出現了「狗先停下,再掉頭沿著南北軸跑 20 公尺」的情形。同時,研究者們也指出,出現這種行為的狗,更有機會以最短的路徑回到牠們的主人身邊。「我真的對這樣的實驗結果感到蠻震撼的」羅曼如此說道。

圖/eLife

內建羅盤判斷最短回家距離?!其實不太意外

布爾達認為狗之所以會沿著南北軸跑是為了釐清牠們的方向,「這是最合理的解釋」他說。

羅曼則表示,這個行為的意義在於狗可能能夠記得牠們之前的移動路程,然後再藉由參考體內的磁場羅盤,來釐清回家的最短路徑

之後布爾達和卡提捷娜也開始嘗試另一種實驗方法,他們打算在狗的項圈中放入磁鐵,干擾磁場,然後觀察這樣是否會妨礙狗狗辨識方向的能力。這樣的想法與 1980 年曾經發表在《科學》期刊上的一篇爭議性實驗類似,當時的實驗是針對人類,研究者將磁鐵放入蒙眼受測者的眼罩中,實驗結果發現磁鐵似乎會擾亂人類直覺的方向感1

不過羅蘭大學註5專攻狗隻行為的亞當.米克洛希 (Adam Miklósi) 則認為,要設計磁感的實驗其實是相當繁複的,因為很難排除其他感官,讓一隻動物完全只依靠一種感知來做出行為。

「這樣操作的難處在於為了要百分之百證明磁感,或是任何一種感知,你必須排除所有其他的感知。」

而米克洛希亦說道,其實「狗能夠利用磁場來辨識方向」並不是太令人吃驚的事,因為這似乎是一種古老的能力,而且可能出現在任何會橫越大片土地的哺乳動物身上。羅曼也贊同道:「你會期望動物在狩獵之後能夠藉這種方式回家,顯然能在狗身上看到應該滿合理的。

註解: 

  1. 時任北卡羅萊納大學 (The University of North Carolina at Chapel Hill) 生物系的助理教授。
  2. Bangor University。
  3. 為布拉格捷克生命科學大學 (Czech University of Life Sciences Prague) 的感官生態學家 。
  4. The department of game management and wildlife biology, Czech University of Life Sciences Prague。
  5. Eötvös Loránd University。

參考資料:

  1. Baker, R. R. (1980). Goal orientation by blindfolded humans after long-distance displacement: Possible involvement of a magnetic sense. Science210(4469), 555-557.

本文主要編譯自:Dogs may use Earth’s magnetic field to take shortcuts

何如
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「因為人因思想而獨特,但不說出來就什麼都不是。」 —為自己的冗言話多辯解的小菜鳥。

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萬磁王再度降臨?!300 萬人跨年夜搭捷運就能改變地球磁場嗎?
科學新聞解剖室_96
・2018/12/28 ・4881字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 528 ・七年級

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  • 科學新聞解剖室-案件編號 30

案情

時序又將進入年底全台瘋跨年的期間,其中最大場的活動就是台北市政府的跨年慶典晚會,數十萬人湧入台北市,市府每年最後如何指揮交通、捷運疏通等等成了新聞焦點。2017 年 11 月卻出現令人嚇到吃手手的新聞,聯合報報導〈創全球之先重大發現 跨年夜北捷載量大改變地球磁場〉,內文提到:

中研院與中央大學長期監測大屯山火山活動,但在 2012 年到 2013 年跨年夜,測到地球磁場變化影響火山監測。團隊為此追蹤一年多,隔年有重大發現,測得台北捷運在密集營運的情形下,會造成地球磁場較明顯的改變。研究成果今年暑假發表,近日刊登於歐洲頂尖期刊《Terra Nova》,是全球迄今唯一發表大眾運輸會造成地球磁場改變的重大發現……

這一則新聞報導在去年引起轟動,也讓許多人懷著忐忑的心情,好奇萬磁王是不是又要在今年的跨年夜再度光臨台北捷運?

新聞乍看之下擁有豐富的背景知識,不僅有中研院、中央大學背書,還有歐洲頂級期刊撐腰,是一篇充滿學術氣息的報導。但解剖員從去年就覺得有點怪怪的,300 萬名乘客真的是造成地球磁場改變的罪魁禍首嗎?如果地球磁場這麼容易就可以發生改變,那麼會不會只要我們齊心齊力、萬眾一心,就真的可以改變許多大自然的現象?「人定勝天」不再僅是勵志金句,而是真有其事嗎?

解剖

一、「地球磁場」vs「量測地球磁場」:我們乍看很像,但我們不一樣

先從解剖員的專業地科背景來說個結論:地球磁場是不可能被人為改變的!

首先,我們必須釐清什麼是「地球磁場」?它又是怎麼形成的?

我們可以把地球想像成一個大型磁鐵棒,而在大磁棒周圍所分布的磁場,就叫做地球磁場,依照當前科學界所認可的「自激磁學說」(Self-exciting dynamo)解釋,地磁場的形成原因有許多不同的來源,其中有超過九成來自外部地核中液態金屬運動所產生,地表擾動所產生的影響非常非常小,因此,地球磁場是不可能被人為改變的[1] 

我們可以把地球想像成一個大型磁鐵棒,而在大磁棒周圍所分布的磁場,就叫做地球磁場。圖/Zureks @Wikimedia Commons

量測地球磁場」則又是另一個不同的概念。當我們站在地表上量測地球磁場時,量測的是該地當時的總磁場強度,測得的資料除了地球磁場之外,同時亦會受到其他訊號干擾,這些雜訊可能來自鄰近的高壓電塔、鐵公路、施測人員身上的金屬物品、太陽輻射、地殼活動等等,這些因素都會影響我們量測到的磁場資料。

所以量測出來的數字等於「地球磁場」嗎?看到這裡,大家是否隱約覺得這篇新聞有點問題了呢?這篇新聞就是將「地球磁場」和「量測地球磁場」兩個概念混為一談,「地球磁場」和「量測地球磁場」有著根本性的差異,兩者之間不能畫上等號。

我們用天文學觀測星星做進一步的解釋與類比。在繁華的都市裡,過度使用照明設施,在光線照亮夜晚的同時,原本閃耀的星空會被周遭人為的燈光所覆蓋掉,讓星空的能見度明顯的下降,夜空裡的星星越來越黯淡,對天文的觀測造成嚴重的干擾,這就是我們所謂的「光害」;因此,若站在城市平地上透過望遠鏡觀測星星,而發現星星模糊不清時,我們會說嚴重的光害使我們看不見原本閃亮的星空,不會說「是地球光害使遠在天邊的星體們不會發光了!」

若站在城市平地上透過望遠鏡觀測星星,而發現星星模糊不清時,我們會說嚴重的光害使我們看不見原本閃亮的星空,不會說「是地球光害使遠在天邊的星體們不會發光了!」圖/Aaron Logan @Wikipedia

試想看看,若有一則新聞的標題是這樣下:「台北燈火熄滅北極星!?」那我們人類大概真的成為萬物主宰了,開個燈就可以毀滅全宇宙的恆星,讓他們失去發光的能力。這樣的話,人類可能再也不用擔心外星人入侵,因為我們只要點燈,外星人就會因為沒有自己的太陽,直接在自己的星球上被滅絕。

若把光害的案例對照這次新聞案例,把「星體發光能力」比照「地球磁場」,而「用望遠鏡觀測星光」比照「量測地球磁場」,應該就可以清楚地看出「地球磁場」與「量測地球磁場」兩者的差異。

二、研究重點不在「改變地球磁場」,在「揪出擾亂地磁觀測的因素」

新聞報導中引述許多讓人覺得可信的科學研究出處,但是科學研究文獻裡面真的是這樣說的嗎?要瞭解此次事件,可能需要還原整體的研究背景,也就是科學家們究竟是如何抽絲剝繭地找到「台北捷運」這位干擾者?

其實這個研究一開始並不是為了瞭解台北捷運的磁場變化,而是監測陽明山大屯火山群時,發現每天都規律地出現異常的地磁量測結果。他們利用了許多組數據分析,經過不同地點、不同時間的資料比對後,科學家首先發現,只有台北盆地的測站有異常現象,花蓮的觀測是正常的;其中最關鍵的是,跨年夜當天地磁被擾動的時間長度突破以往,平日凌晨一點半以後地磁擾動就會大幅減少,但在跨年夜時,就算過了凌晨一點半,地磁的觀測結果依然持續被干擾。根據這樣的額外線索,科學家才得以透過「台北捷運跨年夜不收班」,對照「平日準時收班的捷運」,找到了每天都在擾亂地磁量測結果的嫌疑犯

這項研究並不是為了瞭解台北捷運的磁場變化,其實是要告訴我們:捷運造成的磁場變化會影響量測地磁的結果。圖/截圖自研究

科學家發現了嫌疑犯後,嚴謹地對捷運系統的疑點抽絲剝繭。他們比對了平時準時下班的捷運營運數據和地球磁場的資料,發現平日地磁場被干擾最嚴重的 3 個時段,就是捷運行駛最密集的交通尖峰時間,而科學家同時也發現,磁場量測的變化確實會被捷運行駛過程造成的電流所影響。

追根究柢,這個研究結果其實是要告訴我們:捷運造成的磁場變化會影響量測地磁的結果。這個研究結果重要嗎?除了監測大屯火山活動具有影響民生議題的重要性之外,研究團隊花了很多精神排除各種可能因素,最終找到捷運會影響量測地磁的結果,這在地震量測上具有突破性的意義。

由於地震或火山的監測方式中,多數都在找出影響異常的因素,才能聚焦在要觀測的重點上,因此研究團隊找出影響的關鍵要素,濾除監測火山活動的雜訊,這項發現在科學研究上具有重要的學術及應用價值,只是在媒體不瞭解這個價值所在,因此在不識貨的誤解中也讓整體的報導方向歪掉了。例如那段期間各大媒體的標題:〈蝦米?北捷竟能造成地球磁場異常〉〈什麼! 北捷竟造成地球磁場異常〉〈你我都推了一把?跨年夜北捷爆量改變「地球磁場」〉〈300萬人瘋跨年倒數,讓研究團隊發現北捷影響地磁場〉,實在非常勁爆,不僅畫錯重點,同時也錯得離譜。

圖/新聞截圖

三、還原案發現場:專家真的是這樣掛保證的嗎!?

回過頭想想,這篇報導不是有採訪研究團隊的成員嗎?如果都有專家親身掛保證,怎麼還會這樣出錯呢?

解剖員搜尋到相關的採訪影片中,侃侃而談的科學專家顏宏元教授似乎成為了媒體的最大靠山。顏教授致力於重力測勘學及磁力測勘學的研究,而且也是此項研究計畫參與人之一,依照顏教授的專業程度有可能弄錯「地磁」與「量測地磁」?會輕易說出北捷造成地球磁場異常這樣的話嗎?

我們再仔細看看顏教授在採訪影片中所說的:

……列車在運轉、運行的時候,它就一定會有雜散電流,我想這是一個全球性的問題……原來(凌晨)一點半到四點半之間,沒有磁場的改變,但是在跨年的時候卻有,我們根據這樣一個觀測結果,認為磁場改變跟捷運的運轉有絕對的關係……[2]

……監測大屯火山的時候,在跨年那天清晨,本來一點半到四點半是沒有訊號的,可是我們有看到磁場繼續被擾動,兩個磁力站在隔年清晨一點半到四點半,所謂跨年捷運不收班情況下,我們仍然看到這樣的訊號,……[3]

……列車間距比較短,所以它用電量比較大,所以這時候它對磁場的影響會比較大一點,離峰的時候用電量會比較小一點,所以相對來講,對磁場的改變也會比較小一點……[4]

細細分析顏教授的字句後,就可以發現,即使教授並沒有精確地指明被改變的是「量測到的地球磁場」,而是說「磁場改變跟捷運有關係」、「磁場被擾動」、「對磁場改變」,但可以瞭解他指的就是量測到的磁場強度,而且他從頭到尾都沒有說過「地球磁場被改變」這一句話,而新聞報導中的「地球磁場會被改變」完完全全是媒體腦補能力的徹底發揮。

即使教授並沒有精確地指明被改變的是「量測到的地球磁場」,而是說「磁場改變跟捷運有關係」,但媒體的過度詮釋恐怕無法呈現教授原意。圖/影音新聞截圖

況且,顏教授使用的是「磁場」一詞,磁場並不等於地球磁場;以生活周遭的物品為例,握在手上的磁石、正在使用的充電線,任何具有磁性、電流的物品,都有可能造成磁場,地球磁場只是其中一種,專指由地球內部產生的大地磁場。依照顏教授的專業,不可能弄混磁場與地球磁場,但我們來看看記者是怎麼寫的:

……團隊為此追蹤一年多,隔年有重大發現,測得台北捷運在密集營運的情形下,會造成地球磁場較明顯的改變。研究成果今年暑假發表,近日刊登於歐洲頂尖期刊《Terra Nova》,是全球迄今唯一發表大眾運輸會造成地球磁場改變的重大發現……

記者甚至擅自更動了顏教授的說法:

……顏宏元說,地球磁場的改變會間接影響軌道的電磁作用,平時搭乘時就會產生影響,尖峰時間影響越大……

媒體完全混用「地磁」、「磁場」和「量測到的磁場」,在沒有搞清楚狀況的差異之下就「不慎」將原本冷門的科學議題推上了重要版面,造成各大媒體競相報導。除了驚悚的標題之外,更在標題和內文出現「創全球之先重大發現」、「是全球迄今唯一發表大眾運輸會造成地球磁場改變的重大發現」等托大的用詞,實在讓人無言。

「創全球之先重大發現」、「創全球先例」等托大的用詞幾乎每一則報導都有出現。圖/影音新聞截圖

為了釐清真相,解剖員更直接透過電訪向顏宏元教授求證。顏教授表示自 2013 年開始,研究團隊觀察到捷運可能影響地磁觀測數據後,2014 年便開始對此現象持續研究;與此同時,教授也不時會在課堂中與同學分享研究內容,顏教授猜測部分媒體也許因而得到風聲,所以常常向研究團隊追查研究進度,以期作為未來新聞報導的素材。

因此當有某一家媒體發布獨家新聞後,隔日早上許多其他媒體即迅速地聯絡到顏教授,並進行了影片和電話採訪。顏教授表示,當時他直接以「怎麼發現這個現象」,「這個現象會不會影響人體健康」為題進行說明,但由於採訪過程中人多嘴雜,不易清楚說明,「改變地球磁場」等浮誇字句均非教授所言,甚至根本不是訪談主軸。整體事件之後,顏教授也對於媒體斷章取義、誤解、妄下結論等狀況感到無奈。

解剖總結

綜上所述,這則新聞錯誤傳播與研究不符的科學訊息,並且混用科學專有名詞,誤解了專家的訪談內容,還使用了聳動的新聞報導標題,用看似專業的報導騙取民眾的信任,除了讓社會誤解科學的研究成果之外,更可能讓專業的科學家蒙受不白之冤。據此,本解剖室給予這次的系列報導以下評價(16 顆骷髏頭):

(策劃/寫作:陳儀珈、賴雁蓉、黃俊儒;科學專家:顏宏元)

科學新聞解剖室_96
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「科學新聞解剖室」是由中正大學科學傳播教育研究室所成立的科學新聞監督平台,這個平台結合許多不同領域的科學解剖專家及義工,以台灣科學新聞最容易犯下的10種錯誤類型作為基礎,要讓「科學偽新聞」無所遁形。已出版《新時代判讀力:教你一眼看穿科學新聞的真偽》《新生活判讀力:別讓科學偽新聞誤導你的人生》(有關10種錯誤的內涵,請參見《別輕易相信!你必須知道的科學偽新聞》一書)。

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Cluster衛星群資料顯示地球的弓形震波層只有17公里厚
臺北天文館_96
・2011/11/24 ・1570字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 566 ・九年級

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英國國王學院科學家Steven Schwartz等人,藉由歐洲太空總署(ESA)由4架衛星組成的Cluster衛星群觀測資料,發現太陽風遭遇地球磁場所形成的弓形震波(bow shock)非常薄,厚度只有17公里而已。像這樣的薄震波區,通常是粒子加速的早期階段所在之處。這項發現可能有助於解決有關背景宇宙線的粒子加速理論的爭議。

宇宙中的大部分重子物質(baryonic matter) 是帶電粒子和離子,即所謂的「電漿(plasma)」。電漿流可在各種大小的空間尺度中移動,穿透行星之間的行星際空間,也會穿越恆星之間的星際空間或星系之間的星系際空間。當超音速(supersonic)電漿流遇到如行星或恆星磁場、另一股速度慢一點的物質流等阻礙時,會產生震波(shock wave,或譯為衝擊波)。

天文學家在多種宇宙環境中都曾觀測到這種突然從超音速流轉換至亞音速流(subsonic)的狀況,其中比較顯著的是年輕和大質量恆星的恆星風、超新星爆炸的殘骸和電波星系(radio galaxy)產生的噴流和波瓣(lobe)等遭遇周圍星際介質的情況。以電波、X射線和伽瑪射線波段觀測時,可以清楚呈現這些震波與宇宙中能量最高的粒子—宇宙線(cosmic ray)的起源有密切相關。

雖然目前已知這些震波是非常有效率的粒子加速場,對於已經被加速到能量相當高的粒子,又從此能量門檻被加速到更高能量現象的物理機制,科學家們已經頗為瞭解。但目前並不清楚粒子如何與震波交互作用以獲取能量的機制究竟為何,尤其是宇宙線粒子加速的早期階段,這些粒子究竟是怎麼進入粒子加速場,可能是個非常複雜的過程,對天文物理學家而言,是個亟待探索的領域。

離地球最近的這類粒子加速區,其實就在地球上空—因太陽風與地球磁層相互遭遇而形成的弓形震波層,尤其是弓形震波層的厚度,是研究粒子加速物理過程的關鍵參數。Schwartz等人從Cluster衛星群資料發現:地球的弓形震波厚度只有17公里,比他們原本認為的薄了許多,這也顯示這類粒子加速場的工作效率遠超過科學家們之前預期的程度。

Cluster衛星群發射於2000年,由4架衛星組成艦隊隊形,以繞極軌道繞行地球,因此可由其觀測資料同時獲知某地球周圍事件的空間和時間變化,以及溫度等電漿中的粒子物理性質。科學家曾在2003年時,分析Cluster衛星群的資料,獲得地球弓形震波層的厚度上限頂多為100公里。而Schwartz等人的最新分析結果更將弓形震波層的厚度降至只有17.3公里,不到2003年估計的1/5。

The magnetic field and electron temperature in the plasma surrounding Earth bow shock. Image courtesy of Steven Schwartz, Imperial College London  Schwartz等人挖掘Cluster的觀測資料庫,發現2005年1月9日有一組Cluster衛星群逐漸穿越震波層的資料。由於穿越速度緩慢,所以弓形震波層隨太陽風改變而引起的擾動非常小,因此時間解析度細達250毫秒,衛星群可以取得非常精確的粒子族群樣本資料,粒子分佈在震波層的空間解析度也非常好。當衛星逐漸進入這電漿震波層的過程中,記錄到電子經歷非常劇烈而突然的溫度陡升現象,幾乎已接近波散(wave dispersion)的極限,意味著這個震波層非常薄;而在物理上,薄層的加速效果更好。

鄰近超薄震波層之處,一種稱為「多次反射(multiple reflection)」或「衝浪(surfing)」的粒子加速機制會變得特別有效率。離子速度起初很慢,僅相當於數keV能量等級,隨著在震波層中重複的來回反射跳躍,能量就愈來愈高。震波起初就像一堵牆,離子無法穿越;但當離子能量隨著來回跳躍升高到0.5MeV以上時,它就能突破震波這堵障礙而離去。(點選此處觀看動畫

這個機制可能是粒子進入宇宙加速器的最佳解釋,如果震波層夠薄,粒子能量就可被加速到高能量級門檻,然後才有機會再藉由別的機制來加速1GeV,這是目前宇宙線研究所偵測到最高的粒子能量等級。

Schwartz等人很高興的說:即使只是研究自家門前的局部現象,也能對瞭解整個宇宙的粒子加速機制做出重要貢獻。

資料來源:Cluster reveals Earth’s bow shock is remarkably thin[2011.11.16]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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