地球內部的場例如物質密度場、壓力場、造成板塊運動與地震的應屬溫度場

地球內部的場例如物質密度場、壓力場、造成板塊運動與地震的應

力場，而最重要卻也是最讓我們疑惑的，應屬溫度場

趙丰曾任美國航太總署哥達德太空飛行中心的太空

測地實驗室主任、中央大學地球科學院院長，現任

中央研究院地球科學研究所所長；研究專長為地球

與行星動力學、重力學、地球物理與地震學等。

28

　科學人2011.03

物

理書裡老愛說的「場」令你霧

煞煞嗎？其實你就在你自己的

周遭創造出了一堆各式各樣的場。你

不是希望永遠「散發著光與熱」嗎？

沒錯，由於你的體溫，你散發著紅外

線的黑體輻射，於是周遭有你製造

的輻射場和溫度場；行走起來虎虎生

風、又聲如洪鐘，你製造了身邊空氣

的流動風場和音量場；君子不重則不

威，腳下地板在你的壓力下產生了應

力場、應變場；天乾物燥時頻頻放電

不手軟，你顯然有屬於你的靜電場；

精神煥發、腦力激盪時的神經電流調

製了你周遭的磁場。當然你的質量更

是忠實地製造了追隨著你的重力場，

連你身體表面反射的光、你的影子都

可視為你製造的正、負亮度場。不

過，至於你正煥發著無法擋的神秘魅

力場，或宗教人士說人的靈魂有什麼

神聖或邪惡的能量場，賣杯子的廠商

說飲水裡感應出什麼健康磁性場，連

帶一些定義不明、高深莫測的場，就

不在我們談論的範圍啦。

場景放大到整個地球。地球有兩種

源自內部，卻散發到外部以至於無所

不在、無遠弗屆的「雙場」──重力

場和磁場，它們往往被地球物理學家

合稱「地球位能場」。地球雙場記的

故事早已寫入教科書了，現在我們來

貂尾續貂，添加精采的另一章──新

時代的太空測量。

最早的磁場觀測應屬老祖宗的指南

針、羅盤，雖然只能夠不明所以地測

定磁場向量的方向，但已經算是人類

史上的一級大發明啦！近代科學磁

力儀的地面測量，可以追溯到1833

年的物理數學家高斯（Carl Friedrich

Gauss）；傳統版以及近代不斷推陳出

新的磁力儀，或測量強度，或測量三

維向量，款式多多。100多年來世界

許多地方都陸續設立長期性的地磁觀

測站，但地域的分佈以全球而言畢竟

既太稀落又太過局限。

另外，拉著磁力儀跑船（船載）或

乘上飛機（空載），以便詳查整片面

積裡的地磁場，一次就竟其功，倒也

不是難事，所以確實已行之有年。那

麼，何不「更上一層樓」，進一步將

磁力儀「星載」──架上人造衛星？

1979年，美國航太總署（N A S A）

正式向地磁場進軍，將「磁衛號」

（MagSat）送入太空軌道。由於地磁

場離地球越遠越弱，為了測量精度的

要求，衛星的軌道必須盡量接近地

球，於是磁衛號的橢圓軌道設計得低

到近地點只有350公里高，甚至必須

與即使很小的空氣摩擦妥協，也因此

它僅運行短短八個月就壽終正寢。可

是它無疑「不枉此生」，豐碩的成果

為地磁科學研究樹立了重要里程碑。

遺憾的是，基礎是奠定好了，卻

後繼乏力。一向追求探索「未知」的

NASA 沒有持續對科技挑戰性只屬尋

常的地磁投以青睞。這遺珠之憾在20

年後，才由其他戮力發展太空事業的

國家來填補：1999年，丹麥的第一

顆人造衛星就獻給了地磁場，這顆以

丹麥物理學家厄斯特（Oersted）為名

的衛星健康長壽，至今仍工作無休；

阿根廷帶頭的國際合作衛星SAC-C號

於2000年升空，多項地球科學任務

中也包含地磁監測；同年升空的德國

重、磁雙場量測衛星CHAMP也勤奮

運作了10年，2010年才正式除役。

歐洲太空總署今年預備發射一組三顆

衛星：SWARM，將是最精密、最先

進的新一代測地磁衛星，精采可期。

上述那些測磁場衛星都伸出一根細

長的橫桿，做啥？原來磁力儀就安裝

在桿的頂端，為的是盡量遠離衛星的

雙場記：

A Tale of Two Fields–磁場篇

如同狄更斯《雙城記》的首語：「這是最好的時代，也是最糟的時代。」地球雙場的太空測量也

經歷著起起伏伏的年代，寫下精采的篇章。

三顆一組的測地磁衛星SWARM的想像圖，體

形嬌小的磁力儀就裝在細長的橫桿頂端。

EADS-Astrium

sa.ylib.com

科學人　29

影像來源：趙丰

本體、遠離所有通電或帶磁的儀器元

件的磁干擾。這當然免不了增添了衛

星製造和操作上的複雜度，但是別擔

心，再纖細的桿子在太空軌道疾馳也

是不會斷折的啦，因為它根本是處於

失重狀態，而且在近真空環境裡空氣

阻力小到不必考慮。

這些測地磁衛星都理所當然選用繞

極軌道（或幾近繞極的太陽同步軌

道），就是為了能夠「顧及全局」，不

要有死角。就這樣，衛星測量揭露了

地磁場向量強度、方向的全球分佈。

測量到的磁場，主要是來自內部由地

核自生、以磁雙極為主體的主磁場，

再加上地殼的次生磁場——岩石生成

的當下鎖在岩層裡的感應磁場；一鉅

一細，鉅、細靡遺（見上圖）。甚至

更加有趣的，這些衛星還記錄下磁場

隨時間的各種週期性或非週期性微小

變動：較慢但較大規模的是主磁場的

變動，而較高頻的次規模磁擾動則顯

然是外來的──來自太陽風和地磁場

的交互作用。

源自太陽、充斥整個太陽系的磁場

擾動，可正是「日–地關係」、「太

空天氣」大學問的研究對象！這當然

仍是人造衛星、太空船的馳騁用武之

地；它們多年來在國際合作的多項大

型科學計畫下，繞行於太陽系的大舞

池，寫下一系列精采的篇章。同樣精

采的篇章也寫進了人類的行星探訪誌

裡。NASA對各行星一波又一波的探

訪，不論是飛越或是繞行，一向將重

力場和磁場（外加自轉）列為當然的

基本觀測項目。今天我們對各行星整

體性質和行為最根本的了解，雙場的

觀測成果扮演著決定性的角色，其科

學投資報酬率更是不容置疑。

台灣與美國合作、正緊鑼密鼓進行

的「福衛七號」（COSMIC-2）是由14

顆小衛星組成，接替來日無多的福衛

三號（COSMIC）進行全球氣象與電離

層監測。它將附帶一些簡易的自主科

研項目，磁力儀會是其中之一嗎？

磁場篇讓我們在此打住。下回登場

的是雙場記的另一主角──重力場。

重力場的太空量測，可不是現成套裝

硬體儀器就能搞定的，這回可得挑戰

科技的極限！

簡單的說，場就是一個空間的函數。不同

的位置點有其對應的值，這樣的物理量就是

一個場；其物理量由某特定方程式（組）來

負責描述、規範，例如重力場遵從牛頓重力

方程，電場、磁場遵從馬克士威方程組，溫

度場遵從流體外加熱導、輻射方程。那原

先就存在的空間，可以是一維的線，二維的

面，或三維的立體空間。如果該物理量又會

隨時間而變，我們可得管它叫做四維的啦。

地球「內外皆場」，而且都是不折不扣的

四維場。地球內部的場例如物質密度場、壓力場、造成板塊運動與地震的應

力場，而最重要卻也是最讓我們疑惑的，應屬溫度場，地球的生命力就是由

溫度場驅動，同時也反映在溫度場上。地心的外地核裡，則有著由熾熱、熔

融的金屬鐵物質的對流產生的磁場（見2005年5月號〈地球是個發電機──

真實與虛擬共舞〉）。

地球外部，大氣層有熟悉的氣壓場、風場、溫度場、濕度場、輻射場等。

大氣內外各層以至高層太空的各種閃電、電流現象，都是電場的所作所為。

本文的雙主角，合稱地球位能場的雙場──重力場和磁場，則分別是前述的

內部物質密度場的外銷產品，和地核磁場的直接向外延伸。

60°

40°

20°

0°

-20°

-40°

-60°

-180

° -135° -90° -45° -0° 45° 90° 135° 180°

200

150

100

50

0

-50

-100

-150

-200

奈特士拉

鉅、細靡遺的地磁場衛星觀測。上圖是以磁雙

極為主體、由地核自生的主磁場的垂直分量，

呈現南出、北入的雙極分佈。右圖是地殼的岩

石在生成的當下鎖在岩層裡的次生感應磁場，

鮮明地顯示出大陸與海洋地質的迥異，海洋部

份順帶用黑線框出當初海底擴張形成磁條帶的

年代。兩圖疊加才能得到地球表面磁場的平均

分佈（隨時間改變的微小外來擾動不計）。