# 地磁场与极光模拟 - 磁偏角磁倾角、磁层、Kp 极光椭圆

> 倾斜偶极子地磁模型：查各地磁倾角、磁偏角与强度，看磁层与范艾伦带、粒子磁镜反弹，按 Kp 指数判断哪里能看到极光。

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这个工具用 IGRF-2020 的一阶系数建立倾斜偶极子地磁模型：在世界地图上点选任意位置，看到指南针方向、磁倾角、水平和垂直分量，并和城市的真实磁偏角近似值对比，直观感受偶极子模型的局限。其他页签展示太阳风压缩出的磁层与范艾伦辐射带、被困粒子在两个磁镜点之间来回反弹并绕地漂移、不同 Kp 指数下极光椭圆的位置，以及北磁极近两百年的漂移和数百万年的地磁倒转史。

## 使用步骤

1. 在“磁场与指南针”中选城市或点击地图，读出磁偏角、磁倾角和场强
2. 在“磁层与范艾伦带”调节太阳风密度、速度和 Bz，看磁层顶被压缩到哪里
3. 在“粒子磁镜捕获”中设置粒子能量、L 壳层和投掷角，观察反弹与漂移
4. 在“极光与 Kp”拖动 Kp 和世界时，看极光椭圆和各城市需要的 Kp
5. 在“极移与倒转”查看北磁极路径、偶极矩下降和极性年表

## 功能特点

- 倾斜偶极子全球指南针方向图与等倾角线
- 指南针与磁倾针可视化，城市真实偏角对照（近似）
- Shue 1998 磁层顶模型与范艾伦内外带示意
- 磁镜点、损失锥、回旋/反弹/漂移周期计算与动画
- 极光椭圆随 Kp 与世界时变化，城市可见性表
- 北磁极 1831–2025 漂移、偶极矩变化与近 530 万年极性年表

## 常见问题

### 磁偏角是什么？为什么这里的值和手机指南针不一样？

磁偏角是指南针所指的磁北与真北（地理北）之间的夹角，东偏为正。工具用的是最简单的倾斜偶极子，只抓住了地磁场约 90% 的成分，剩下的非偶极部分会让真实偏角差出十几度，例如北京偶极模型给 +2°，实测约 −8°。导航和测绘要用世界磁场模型 WMM 或 IGRF，它们包含到 12 阶以上的球谐系数并每五年更新。

### 磁倾角怎么随纬度变化？

对偶极子，磁倾角 I 与地磁纬度 λ 满足 tan I = 2 tan λ：磁赤道上磁针水平，越往高纬越朝下倾，在磁倾极处竖直向下。同时总强度从赤道的约 30 µT 增大到磁极附近的约 60 µT。中国大部分地区磁倾角在 40°–60° 之间，指南针的南端常加配重来抵消下倾。

### Kp 要多大我所在的城市才能看到极光？

极光椭圆夜侧边界大致在地磁纬度 66.5° − 2°×Kp。地磁纬度 55° 的地方需要 Kp 约 6 才在头顶出现，在北方地平线附近看到要求低 1–2 级。中国北方地磁纬度只有 30° 多，要 Kp 9 的特大地磁暴配合高空红色极光才有机会，比如 2024 年 5 月那次。工具里列出了各城市的地磁纬度和所需 Kp。

### 范艾伦带里的粒子为什么不会掉下来？

带电粒子绕磁力线螺旋前进，磁矩近似守恒，越往两极场越强，平行速度被转成垂直速度，到某一点完全停下并反弹，这就是磁镜。粒子因此在南北两个磁镜点之间来回弹跳，同时因磁场梯度和曲率绕地球漂移（电子向东、质子向西）。只有投掷角落在损失锥内的粒子才会钻到大气层，被吸收并产生极光。

### 地磁极会倒转吗？会有危险吗？

地磁场在地质历史上倒转过几百次，最近一次完整倒转是约 77 万年前，平均间隔几十万年但很不规则。北磁极近几十年以每年 40–55 km 的速度向西伯利亚漂移，偶极矩每百年下降约 5%，但这些并不意味着倒转迫在眉睫。倒转过程持续数千年，化石记录中没有发现与大灭绝的对应，主要影响是卫星和电网受空间天气影响更大。

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