從天空到海洋：探索地球磁場及其對真實世界現象的影響

May.09.2025

分類主題：研究報告適用範圍：GDX-3MG

你有沒有注意到過去一年裡觀賞aurora borealis（也稱為北極光）的機會增加了？雖然這些光影展現在極地地區如Arctic很常見，但最近在許多州都能更清楚地看到。原因何在？太陽活動的激增直接與Earth’s magnetic field相互作用。

在這篇部落格文章中，我們將探討如何利用Go Direct^® 三軸磁場感應器，幫助你的國中和高中的地球科學學生更了解地球磁場與這個現實世界現象的關係。

根據NASA和NOAA的最新公告，太陽活動是過去11年來最強的。這意味著太陽正處於太陽極大期或「風暴狀態」，頻繁出現太陽耀班和太陽黑子，使地球上的極光更加強烈。

極光的形成是因為太陽風——來自太陽的帶電粒子——與地球磁場相互作用。這種交互將粒子導向極地，在那裡它們與大氣中的氣體碰撞，創造出絢麗的光影展示。

美國國家科學基金會(National Science Foundation, NSF)的Dr. Joe Pesce解釋了太陽粒子如何與地球大氣相互作用，產生北極光。

地球磁場就像一個保護盾，擋住了大部分太陽風。然而，當帶電粒子突破時，它們會沿著磁力線朝極地移動。這些交互產生光線，類似於霓虹燈中電子流經氣體產生不同顏色的方式。

地球磁場的變化也會影響極光。數千年來，磁極會發生反轉，改變極光的強度和位置。根據 NOAA，較強的太陽風和行星際磁場的變化會使極光更明亮、更活躍，且在遠離極地的地區也能看到。

這種變動的磁場可以通過研究海底岩石的模式來探究，學生可以通過以下的實作實驗來探索這一過程。

海底擴張發生在中洋脊，兩塊板塊在此彼此遠離。

海底擴張時，岩漿從下方上升，擴張速度大約與指甲生長速度相當。

科學家通過研究構成海底的岩石磁場，來探索海底擴張的模式。在中洋脊，岩漿從地函上升並冷卻。隨著冷卻，岩石中的鐵會與地球磁場對齊，類似指南針的指針。當岩漿凝固時，這種磁性「簽名」就被鎖定。

雖然學生無法親赴海洋深處觀察海底正常與反向極性的交替條紋，但這個實作實驗通過建立海底擴張區模型，幫助學生探究地球磁場，分析並解讀磁場數據。

在實驗前一天，你和學生可以準備海底模型，在薄層沙子下嵌入磁鐵，模擬真實世界的磁場反轉模式。每組學生應有一個海底擴張區模型，磁鐵從西到東排列在幾厘米深的沙子下。建議使用鋁製蛋糕盤（不會干擾磁場）與六個陶瓷磁鐵。在模型上用遮蓋膠帶標記方位，並將北側朝外放置於桌上。

為了校正Go Direct 三軸磁場感應器，學生將感應器垂直持於將要收集數據的區域上方。

在實驗中，學生將Go Direct 三軸磁場感應器連接到設備並啟動Graphical Analysis軟體。在無磁干擾的區域校正感測器。

學生將尺子對齊盤子左邊的0公分標記，開始數據收集，將感應器置於0公分處，並以1公分為間隔記錄模型上的讀數。

數據收集設置，探頭尖端與尺子保持相同高度進行每次讀數。

每次讀數後，學生點擊“保持(Keep)”並輸入對應的距離。收集完所有數據後，學生檢視圖表，標記中洋脊並繪製磁場穿越 0 的線條，識別磁場反轉的帶狀區域。這些區域根據磁場方向標記為「正常」或「反向」。

最後，學生繪製箭頭顯示海底移動方向，並討論磁場反轉如何解釋海底擴張。

此實驗通過數據分析、模式識別和科學建模，增進學生對地球系統的理解。通過探究磁場反轉，學生探索自然系統如何隨時間變化，應用因果關係來驅動海底擴張等地質過程。

通過了解更多磁場知識，學生能建立科學聯繫，更好地理解周遭世界——從海底擴張的海洋深處到上空的極光展現。

想了解更多？請觀看這段由物理主任Fran Poodry主演的影片，她詳細介紹了如何使用Go Direct三軸磁場感應器進行磁場繪圖，以及如何利用該感應器進一步激發學生參與實作探究。

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