關注中科院地質地球所，探索地球的奧秘
我們大家都認識指南針，這是中國古代的四大發明之一。指南針最主要的作用，顧名思義，就是指示方向。指南針通過測量地球磁場，給出地球磁場的方向，從而幫助人們進行導航，從技術上，支持了約16世紀開始的人類地理大發現時代，推動了歷史的車輪。
司南
如今，人類已經推開了星際探索時代的大門，開始嘗試在茫茫的行星際空間航行，甚至有希望在不遠的將來，探索更廣闊的恆星際。在大海上航行，導航主要依靠的是恆星導航（也就是觀星）和指南針。在星際空間導航，其實也是類似的。
恆星導航演變成了星敏儀一類，即依靠識別星圖來判斷方向的儀器。因為恆星亙古長存，其變化非常緩慢而微弱，距離我們又非常遙遠。因此不管是在地球，還是在深空，我們看到的星圖，沒有太大的區別。
六分儀，用於進行天體導航
但是指南針就不同了，指南針嚴重依賴於地球表面的磁場，然而我們現在要離開地球表面，進入更未知的太空。在這個時候，指南針這種「找南方」的、僅測量「磁場的方向」的方式，在行星際空間中明顯是不適用的。
退一步講，我們之所以能在地球上使用指南針，是因為我們人類在地球表面的漫長的生產實踐中，總結出了，「磁石總是指向南北方向」這樣一個特徵。這是我們對地球表面磁場形態特徵的，直觀且基本準確的認知。如果要將「指南針」推而廣之，那我們首先要在星際空間中，找出磁場的形態特徵、演化規律。
木星磁場
所以，在這樣一個全新的時代，我們已經發明了很多種新的，測量磁場的方法。今天，就帶大家來看看，跨入宇航時代的人們，是怎樣測量磁場的。
磁場是一種場，測量磁場和測量其他的物理量，其原理都是共通的，即讓待測的物理量和某種介質發生相互作用
哈勃太空望遠鏡拍攝的木星極光，是木星磁場、等離子體和木星大氣層相互作用的直觀形象的展現
想到磁場，各位一定第一時間就會想到電場，畢竟高中物理電磁學的教訓實屬深刻。沒錯，我們要介紹的第一種探測磁場的儀器，就是直接利用了磁生電的原理，請看：
一、探測線圈磁強計
我們初高中都學過，電能生磁，磁也能生電。通過線圈截面的磁場通量發生變化，線圈內就會產生抗磁電流，這就是「楞次定律」。這個規律，在人類已知的宇宙中，都不例外。於是，藉助電磁感應的原理，我們就製造了這樣一種磁強計——探測線圈磁強計（Search-coil Magnetometer）。
探雷器
放錯圖了？可以說也沒錯，因為探雷器和探測線圈磁強計的原理，是相通的。探雷器探測地雷，是在探測地雷中的金屬成份。探雷器的線圈首先產生一個交變的磁場，這個磁場將在地雷的金屬結構上激勵出感應電流，這種感應電流又激勵出反饋的磁場，被探雷器的線圈接收——這樣，探雷器就探測到了地雷。
探測線圈磁強計，完全可以類比探雷器，只不過通常，探測線圈磁強計的線圈裡並不產生交變的磁場，因為空間中本身就充滿了波動的磁場。這些波動的磁場，導致探測線圈磁強計的線圈內產生電流，電流被儀器記錄下來，就可以換算為磁場。
搭載在THEMIS衛星上的探測線圈磁強計，三組線圈用來測量三個方向的磁場
那麼，這種磁力計的優點，就顯而易見了，外界的磁場越狂暴，變化越激烈，它的測量效果就越好。具體來說，就是對快速變化的，高頻的磁場波動有著很好的監測效果。而且，正如我所描述的，這種磁力計的結構非常簡單，主要就是一套線圈，連接一隻電流表。在茫茫的太空中，簡單的結構，就意味著輕巧的質量和較低的故障率。早期的先驅者5號和最新的THEMIS探測器，都搭載了這種磁強計或其改型。
先驅者5號
同時，缺點伴隨著優點一起出現了——這種磁力計沒辦法測量不變，或者緩慢變化的磁場。對於探雷器來說，不變就等於不存在地雷，對於探測線圈磁強計也是同理。
那麼怎麼測量這種不變，或者緩慢變化的磁場呢？那就要請出下一位選手了。
二、光泵磁強計
光泵磁強計，是一個大類，總的來說，是依靠原子的塞曼效應來測量磁場。但是產生塞曼效應的介質多種多樣，可以是鈣蒸汽，也可以是鈉蒸氣，鉀蒸汽，銣蒸汽，氦蒸汽，甚至酒精（氫原子）。在執行空間探測任務的光泵磁強計中，比較常見的是鈣蒸汽，因此有的時候，以鈣蒸汽為介質的光泵磁強計，也被稱為是鈣蒸汽磁強計。
安裝在Swarm衛星上的光泵磁強計，使用的介質是氦蒸汽
塞曼效應是原子在磁場下發生的一種能級劈裂的效應。大家可能接觸過原子物理，知道原子存在多個固定的能級，這些能級能夠通過發射光譜或者吸收光譜來觀測到，每一個能級對應一條分立的譜線。由於原子本身具有磁矩，那麼在有外界磁場的情況下，能級發生劈裂，從而一條譜線也分裂成三條乃至多條，每條分裂的譜線是偏振的。分裂的譜線之間的距離（頻率的差），和磁感應強度呈現線性相關。
能級分裂，一條譜線分裂成多條
更詳細的關於塞曼效應的描述，在大學原子物理的課本中就有，位於「電子自旋」的相關章節。如果感興趣的話，可以去讀一讀。
那麼我們現在知道，磁場會導致能級分裂；我們也有成熟的手段，測量物質的光譜特徵。明顯，可以通過光譜信息，換算磁場的強度。
由於原子的磁矩存在取向，因此對於外界磁場的方向的響應，也是有取向的，在理論上，可以實現同時測量磁場的強弱和方向。然而，測量的時候用到的鈣蒸汽，通常是一大團，裡面有數不清的鈣原子，取向各異；想將他們的取向統一，需要不少的額外設備和功耗。因此，雖然理論上光泵磁強計可以是矢量磁強計，但在實際的工程實踐中，通常將光泵磁強計設計成標量磁強計，即，只測量磁場的強度。
水手五號（Mariner-5）。水手五號上安裝的，以氦蒸汽作為介質的光泵磁強計，就可以測量三軸矢量磁場
光泵磁強計作為標量磁強計，其精確度很高，穩定性很好，常常用於校準其它的磁強計。原因在於，其測量原理基於測量介質本身的，不隨時間改變的物理屬性，所以其測量結果非常穩定，生產完成之後基本不需要校準，因此可以校準其它的儀器。此外，因為人類觀測光譜的手段非常成熟和精密，因此光泵磁強計本身的觀測結果就非常準確。
照例，光泵磁強計也有缺點，它一般不能測量矢量的磁場（特殊設計的型號也可以測），然而磁場的方向和強度同樣重要；此外，設計稍顯複雜，可靠性要打個折扣。
三、磁通門磁強計
那麼，有沒有一種，設計簡單可靠，還能測矢量的磁場的磁強計呢？有的，那就是磁通門磁強計。可以說目前，在航天探測器上應用最廣泛的，就是磁通門磁強計。
卡西尼號上那根長長的杆，頂端安裝的就是磁通門磁強計
磁通門磁強計的原理，說來簡單。請想像一個門，這個門不大，一次只能讓一個200斤的胖子擠過去，再重哪怕一點點都不行。
現在，有一個客人（外界的待測磁場），挺瘦的，我不知道他的體重。而我自己，是一個140斤的，柔軟易形變的胖子。我和這個客人，同時通過這道門，剛好能過去——也就是說，我倆的體重，總和剛好是200斤。那麼，簡單計算一下，客人的體重，就是60斤。
更進一步，如果我的體重，可大可小，而且我自己總是知道我有多重，那麼，我就總是能通過跟不同的客人一起通過這道門，來算出客人有多重——如果我100斤，那客人就也100斤。
一類軟磁材料的磁滯回線，可見，達到飽和後，外界磁場繼續增強，材料內的磁場並不會跟著增強。
這就是磁通門的原理——有一類材料，稱為「軟磁材料」，它內部通過的磁通量有一個上限，我們稱之為飽和磁通量。比如一種磁通門的飽和磁通量是1Wb（韋伯，即1T*m2），在外界待測磁場中並沒有飽和；現在我給這個磁通門人為施加了0.6Wb的磁通量，飽和了！那麼明顯，磁通門中本來就有的，待測的外界磁場的磁通量就是1-0.6=0.4Wb，如果這個磁通門的截面積是1m2，那麼外界磁場的磁感應強度就是0.4T。
磁通量是單一方向的，即垂直於截面方向，所以磁通門磁強計實際上只對單一方向的磁場敏感，可以測出單一方向的磁感應強度。在三維空間中，磁場是線性可加的，所以，只需要安置三組相互正交的磁通門磁強計，就可以測量三維空間中任意磁場的強度和方向了，也即，實現了矢量磁場的測量。
英國巴廷頓公司的三軸磁通門探頭，只有3立方釐米左右。
原理是這個原理，不過在實際使用中，由於我們並不預先知道外界的磁場強度和方向，因此需要不斷嘗試不同的值，試圖讓磁通門飽和。我們會給磁通門施加交變的磁場，來讓磁通門在正反兩個方向，反覆出現飽和。
有的時候，外界待測磁場本身就大於飽和磁場，300斤的胖子無論如何都會被200斤上限的門卡住。這時候就需要額外給磁通門施加補償磁場，來壓低總的磁場強度，相當於先給300斤的胖子減肥100斤（或者更多），讓他適應我們的量程，測完體重再把這100斤吃回去，得出他的體重是300斤。
手工製作的單軸磁通門，結構非常簡單
磁通門磁強計最核心的部件，是軟磁材料製作的磁芯，和纏繞在磁芯上的多組線圈。不同的設計需要不同多組線圈，在這裡不深入講解，如果感興趣，歡迎報考我們所的空間物理專業（因為打廣告被領導拖走）！
此外，還需要一套維持磁通門工作的電路，負責產生柔軟的胖子，報告門框的飽和，以及給超出量程的老哥減肥，順便維持門框的穩定（例如溫度等參數）。
這麼來看，磁通門磁強計結構簡單，原理簡單，還能測矢量磁場。值得一提的是，磁通門磁強計的測量精度也是名列前茅。如此優點突出，其它的磁強計似乎黯然失色。
安裝在Swarm衛星上的磁通門磁強計，探頭在右邊。是的，長得像個地雷。
然而，目前的磁通門磁強計，有一個重大的缺陷——其測量基值不穩定，會隨著時間和溫度跑偏。你可以理解為，門框會隨著時間的流逝、溫度的改變，而慢慢改變形狀。曾經200斤量程的門，也許會慢慢變成220斤。這種基值的跑偏，目前是無法預測的，其隨時間和溫度的關係，也是難以捉摸的。所以，才會有前文提到的，光泵磁強計，來給磁通門磁強計做校準。
Swarm衛星的伸杆，最頂端安裝的是ASM，標量磁強計，一個改進的光泵磁強計；中間的光學平臺向前突起的白色小球，是磁通門磁強計VFM。ASM主要負責校準VFM，不過本身也產生科學數據。
四、質子旋進式磁強計和Overhauser磁強計
質子旋進磁力計依靠的是質子在磁場下的拉莫（Lamour）進動現象，雖然原理不同，但其實觀測方法和光泵磁強計也有點類似。質子旋進式磁強計的核心，是氫含量很高的一類介質，包括煤油、酒精、水、甲烷等等。在這個核心上，先施加一個強磁場，統一大部分質子進動（旋進）的方向。隨後，突然撤出這個強磁場，那麼剛才在進動的質子，就會轉而改變為繞外界磁場進動。這種進動運動的頻率，與外界待測磁場的強度成正比，這時候用吸收光譜來測出這個頻率，就可以藉此來解算磁場的強度。
質子旋進式磁強計
1959年，先鋒3號（Vanguard-3）曾經搭載一個質子旋進式磁強計上天，用於測量地球磁場。
然而，質子旋進式磁強計在靈敏度和採樣率上，通常都不如光泵磁強計，因而漸漸被取代了。
Overhauser磁強計是在質子旋進式磁強計的基礎上改造的，不採用強磁場來統一質子進動方向，而是用一個射頻無線電波來誘導介質分子的自由基旋轉的方向統一。後續的觀測則與質子旋進式磁強計相同。
1999年發射的，丹麥的首顆衛星rsted，奧斯特號（紀念發現電流可以產生磁場的丹麥物理學家奧斯特）上，搭載了一型Overhauser磁強計。然而，在實際使用中，發現這套磁強計有一些「死區」，無法測量。不過，Overhauser磁強計從原理上改進了質子旋進磁強計，降低了功耗，減小了體積，也許以後會大展拳腳。
奧斯特號（rsted），丹麥首顆衛星，搭載了Overhauser磁強計
磁場傳感器還有很多種，例如霍爾傳感器，巨磁阻傳感器，超導量子幹涉器件（SQUIDs），等等。但因為這些傳感器，目前還有一些比較大的缺陷，所以在科學衛星和探測器上，很少會使用。
比如說，霍爾傳感器雖然很小，而且非常便宜，是目前全世界商用產品出貨量最大的磁傳感器之一。但它的量程太大，精確度卻達不到要求，不適應太空中普遍的相對弱的磁場環境。
巨磁阻傳感器也非常小，常常用在機械硬碟的磁頭上。它的量程比霍爾傳感器更大，通常更不精確，一般不會用在航天科學測量領域。
超導量子幹涉器件（Superconducting Quantum Interference Devices, SQUIDs），實際上可以比圖中的尺寸小得多。
SQUIDs的探頭本身也非常小，甚至可以做到亞微米級別的尺度，而且非常精確，是目前人類最精確的磁傳感器之一，已經廣泛應用在生物磁場探測中。但是，它存在超導設備目前的通病——為了實現超導效應，其降溫和保溫機構非常龐大，常常重達數噸，也許在未來，解決了常溫超導問題，我們就能把它搬上天了。
此外，在測量一些天體——例如太陽——的磁場的時候，我們沒辦法跑到太陽表面去測量。但是剛才講過，在磁場下，能級會發生劈裂，即塞曼效應。我們只需要觀測太陽光的光譜，不需要上天，也可以從其光譜劈裂裡，推測其磁場的大致強度和方向。
一個太陽黑子形成的塞曼效應，光譜中可見明顯的能級分裂。
看到這裡，想必各位看官，對於我們是如何在太空中測量磁場的，有了一個大概的印象。大致總結一下，在航天科學測量領域，主要有三類：
1. 探測線圈磁強計；
2. 光泵磁強計；
3. 磁通門磁強計。
三者各有優劣，但磁通門磁強計是其中應用最廣泛，性能最適宜的。
還有很多磁強計，可能在未來擁有潛力，包括Overhauser磁強計、SQUIDs，也許還有石墨烯基的霍爾傳感器。在克服了現有的缺陷後，也可能會成為人類探索空間磁場的得力助手。
現在，人類對於廣闊深空中的磁場，還所知甚少，短時間內，讓「航海羅盤」再現輝煌，似乎不太可能。不過，「不積跬步，無以至千裡。」人類一點點地摸索這個宇宙，總是會讓前方的迷霧，越來越淡薄；讓身後的疆土，越來越廣闊；讓未來的道路，越來愈清晰。
美編：車玥逸
校對：李玉鈐