从指南针的奥秘谈起

一、生命的“保护伞”：从指南针的奥秘谈起

磁学和生物学表面上看来是毫不相干的两门学科，可是在三十多年前，美国芝加哥的科学会堂里，举行了一次别开生面的“婚礼”。来自世界各国的数十位著名科学家兴致勃勃地为磁学和生物学“攀亲结缘”。从而产生了一门崭新的介于这两门学科之间的边缘学科——磁生物学（或生物磁学）。

其实，磁学和生物学早在古代就已经发生了联系，不过其发展和应用范围并没有像今天这样自觉、迅速和广泛罢了。近年来，磁生物学发展非常迅速，研究内容丰富多彩，趣味横生。虽然磁生物学是尚在襁褓中的科学，可是人们已经探索到了磁对于健康和生命产生的重大影响。

指南针的指针为什么会指向南北，并出现倾斜呢？长期以来人们对此是不清楚的。最早欧洲人以为指针指北是北极星吸引的结果。公元11世纪我国宋代学者沈括在其名著《梦溪笔谈》中首先记述了磁偏角的事实。15世纪末，哥伦布横渡大西洋到了美洲后才发现磁偏角的现象，比沈括晚了四百多年。尽管如此，认为地球是一块庞大的天然磁石的说法，直到16世纪才由英国女王伊丽莎白一世的医生吉尔伯特首先提出，并且认为地球的磁极分别位于地球地理南北极的附近。现在已经知道地磁轴和地理轴是不重合的，平均成11.5°交角（如图5-1所示）。正因为地球是一个磁体，所以它对指南针的指针有磁力作用，使它指向南北。人们把地球磁场简称为地磁场。

图5-1　地球是个大磁铁

近年来，由于空间技术的迅速发展，人们利用人造卫星和宇宙探测器已进一步发现，地磁场并不像过去人们所想象的那样伸向无限远的空间，这是因为地磁场受到太阳表面吹来的太阳风的影响，把地磁场限制在一个称之为磁层的区域内。

广袤的行星际空间，其中充满了稀薄的高温等离子体，刮着速度大于300公里/秒的太阳风，其中还有高能宇宙线粒子群。此外，行星际空间还是个既有磁场又有电磁波的丰富多彩的空间。来自太阳的巨大能量通过行星际空间源源不断地传送到了地球。

由于地球磁场受到太阳风的压缩作用，形成了一个以极其稀薄的电离气体为主要成分的区域，地磁场被屏蔽于此区域之内，太阳风则被排斥于它之外，此区域名为“磁层”。在向日面，它像一个压扁的半球；在背日侧，则像一个被拉伸了的圆柱体。在磁层中，以质子和电子以及少量的氦和中性氢粒子等成分构成，其中大部分区域几乎不发生粒子间的相互碰撞现象。在那里，地球磁场的压力比气体压强大得多，等离子体粒子的运动几乎完全受地磁场的支配，这也是称其为磁层的原因。磁层的边缘称为“磁层顶”，向着太阳的一面，磁层顶与地心的距离约为10个地球的半径，即7万～8万公里；背着太阳的一面，地磁场却拖者一条长长的尾巴，称为“磁尾”，它可以延伸到600多万公里（如图5-2所示）。

图5-2　地球磁层（R是地球半径符号）

太阳风是稀薄的等离子体。其速度非常大，每秒为300～400公里。而地面的大风速度只不过每秒十几米到几十米，太阳风的速度竟达到地面大风速度的100倍以上。假如没有地磁场的影响，这样强大的太阳风将不会受到地磁场的偏转作用而向地球方向长驱直入，这样很可能扫掉大气，特别是其中比较轻的成分，地球周围的大气成分就可能和现在不一样。同样，如果没有地磁场的“阻挡”作用，太阳风还可能把大气中的水蒸气不断耗尽，使海洋日益蒸发而逐渐缩小，最终有一天会出现海洋消失。众所周知，二氧化碳很容易溶于海水。海水中二氧化碳的含量为大气中的60倍以上，所以海洋能有效地控制大气中二氧化碳的含量。如果没有海洋，大气中的二氧化碳就会不断增加，气温也将不断上升，使人无法忍受。有人计算过，如果大气中二氧化碳含量为现在的两倍的话，地面平均温度就会增加2.3℃，平均气温上升2.0℃，地球上的冰河和积雪就会融化，海平面就将显著上升，如果这样，也许像日本等陆岛大部分将被海洋所淹没。

正因为有了地磁场，正因为有了大气和海洋，生命才能由此诞生并延续下去。所以可以说，如果没有地磁场这个巨大的“保护伞”，也许就不会有今天的人类和各种生命了。正是有了地磁场，太阳风中只有少量的高能粒子闯入磁层作为“不速之客”，其大部分就全被地磁场所捕获而囚禁在高空，不会给生物造成危险。否则，地球上纵然有了生命，也会遭到太阳和宇宙抛出的高能粒子的轰击，造成“灭九族”的横祸。