地球磁場（轉(zhuǎn)）

孫六環(huán)

2012

2021-4-30 09:16 原創(chuàng) · 圖片6

我們的地球之所以能成為生機(jī)勃勃的存在，一個(gè)很大的原因在于它有一個(gè)可以屏蔽太陽風(fēng)和宇宙射線中危險(xiǎn)帶電粒子的磁場。

說到地球磁場，大多數(shù)人頭腦中大概會想象出一塊巨大的磁鐵，它的北極大致指向地球的地理南極，南極大致指向地理北極。實(shí)際上，這與歷史上人們對于地球磁場的想象頗為相似——地球就像是一塊巨大的磁石，它的磁場穩(wěn)定，并長期存在。

地球磁場示意圖。|Peter Reid / NASA

但事實(shí)真的是這樣嗎？地球到底是如何產(chǎn)生磁場的？它又為何可以如此持久？實(shí)際情形比想象的要復(fù)雜得多。

01.
地球如何產(chǎn)生磁場？

我們知道，磁來自于電，變化的電場可以激發(fā)磁場，變化的磁場又可以反過來激發(fā)電場，如此往復(fù)不絕。20世紀(jì)的時(shí)候，人們已經(jīng)用優(yōu)美的麥克斯韋方程，將電、磁、光三種現(xiàn)象統(tǒng)一了起來，許多科學(xué)家因此恍惚感覺，物理學(xué)的大廈已經(jīng)落成，萬事萬物皆在掌握之中。

然而，對于地球如何產(chǎn)生磁場這件事情，科學(xué)家們卻仍然莫衷一是。

許多人都提出了可能的解釋。例如，愛因斯坦認(rèn)為，這或許是因?yàn)樵诘厍騼?nèi)部，電子攜帶的負(fù)電荷與質(zhì)子攜帶的正電荷總數(shù)不相等，從而導(dǎo)致整個(gè)地球具有磁場。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主 Patrick Blackett 試圖通過實(shí)驗(yàn)來尋找地球自轉(zhuǎn)角動(dòng)量和磁矩的關(guān)系，結(jié)果始終一無所獲。愛爾蘭物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家拉莫（Joseph Larmor）則猜測，或許有一個(gè)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生了地球的磁場……

咦，地球內(nèi)部有一個(gè)發(fā)電機(jī)？這個(gè)想法聽起來似乎有些天馬行空，但事實(shí)上，目前被普遍接受的地球磁場理論——“地球發(fā)電機(jī)”理論正是萌芽于此。

02.

神奇的“地球發(fā)電機(jī)”

要了解地球?yàn)槭裁茨墚a(chǎn)生磁場，首先需要了解地球的結(jié)構(gòu)。這是地磁場存在的物質(zhì)基礎(chǔ)?？梢圆聹y，它和一些磁性物質(zhì)有關(guān)。比如鐵。實(shí)際上也的確如此。

正如遙遠(yuǎn)恒星坍縮產(chǎn)生的各種元素形成了宇宙中新的恒星和行星，地球也是由最初彌漫在太陽系中的氣體和塵埃吸積而成的。在地球形成過程中，密度較大的鐵元素向著核心沉積，與周圍的硅酸鹽分離，最終，不同密度的物質(zhì)不斷分層，形成了如今的地核、地幔和地殼。

雖然我們無法進(jìn)入到地球深處，但橫穿過地球的地震波卻可以幫助我們了解地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于地球內(nèi)部各種物質(zhì)的密度和物理特性不同，地震波這種最為強(qiáng)大的聲波會受到不同程度的散射，導(dǎo)致地球另一端接收到回波的時(shí)間有所差異。我們據(jù)此就可以知道，這些物質(zhì)是固態(tài)還是液態(tài)，密度是多少，等等。

科學(xué)家很早就破解了地震波的密碼，他們發(fā)現(xiàn)，地核實(shí)際上分成兩層，雖然這兩層的主要物質(zhì)組成都是鐵，但外核是熔融的液態(tài)鐵，內(nèi)核則因?yàn)槭艿礁髩毫Χ尸F(xiàn)為固態(tài)。這個(gè)堅(jiān)固的內(nèi)核大小相當(dāng)于月球的70%（半徑），溫度則接近熾熱的太陽表面。

地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它有著固態(tài)鐵內(nèi)核（半徑約占20%）和液態(tài)鐵外核（半徑約占55%）。

|shutterstock/JohanSwanepoel

就像埋藏于地球深處的化石記錄了生命的演化歷史一樣，古老的巖石也記錄著地球磁場的演化歷史。在巖石最初形成并冷卻的過程中，巖石顆粒中的電子會受到周圍磁場的影響，朝向磁場的方向偏移，從而記錄下當(dāng)時(shí)地球磁場的強(qiáng)度和方向。

通過研究巖石中物質(zhì)的磁性，物理學(xué)家Walter Elsasser逐漸揭示了地球磁場的演化歷史，并在上世紀(jì)40年代提出了更為完善的地球發(fā)電機(jī)理論。這個(gè)理論認(rèn)為，是地球外核中處于熔融狀態(tài)的金屬鐵的對流持續(xù)地產(chǎn)生著磁場。

03.

源源不斷的動(dòng)力

古地磁記錄表明，地球磁場已經(jīng)存在了至少30億年。然而我們知道，如果地球的磁場是像永久磁鐵那樣，那么它應(yīng)當(dāng)在大約2萬年內(nèi)衰減殆盡，因?yàn)榈睾说臏囟忍?，熱運(yùn)動(dòng)會讓鐵原子（類似一個(gè)個(gè)小磁針）的指向雜亂無章，無法維持永久磁性。

另一方面，古地磁記錄也顯示，地球磁場的兩極在過去曾多次反轉(zhuǎn)，兩次反轉(zhuǎn)之間的時(shí)間間隔平均而言大約是20萬年，一次反轉(zhuǎn)事件——從磁場變?nèi)酰较?，再到產(chǎn)生反向磁場——只需要幾千年就可以完成。

地球磁場的這些性質(zhì)都表明，在地球內(nèi)部存在著一種特殊的機(jī)制，可以持續(xù)地產(chǎn)生磁場?？茖W(xué)家們據(jù)此推測，這種機(jī)制就是在地球的流體外核中持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的對流發(fā)電機(jī)。

地球發(fā)電機(jī)理論認(rèn)為，隨著地球逐漸冷卻，外核中熔融的液態(tài)鐵會在內(nèi)核邊界處緩慢結(jié)晶，釋放出熱量和溶解于其中的輕元素。這些釋放的熱量和輕元素的浮力作用為外核中液態(tài)鐵的對流提供了源源不斷的驅(qū)動(dòng)力。

與此同時(shí)，地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的科里奧利力*會將流體扭曲成螺旋狀，沿著地球自轉(zhuǎn)軸的方向排列。這樣，原來的磁場在液態(tài)鐵中激發(fā)出渦電流，結(jié)果就像高中課本上的螺旋線圈一樣，這些帶電的流體又不斷產(chǎn)生新的磁場，來彌補(bǔ)逐漸衰減的磁場。

*科里奧利力：在慣性系中，物體原本因?yàn)閼T性沿著直線運(yùn)動(dòng)，但由于地球的自轉(zhuǎn)，在其上的觀察者看來，物體的運(yùn)動(dòng)軌跡會發(fā)生偏離，好像受到了一個(gè)力的作用，這個(gè)假想的力就是科里奧利力。科里奧利力是一種復(fù)合離心力，它讓物體仿佛發(fā)生切向的和徑向的偏離。

地球發(fā)電機(jī)產(chǎn)生地球的磁場。地球外核中的液態(tài)鐵被扭曲成螺旋狀。| Wikipedia
然而，這種假想的機(jī)制真的可以描述真實(shí)的地球磁場嗎？科學(xué)家們一直希望能夠通過理論計(jì)算構(gòu)建模型，模擬真實(shí)的地球磁場。

04.

實(shí)驗(yàn)?zāi)M地球磁場

從上面的描述中我們知道，地球核心的熱量和物質(zhì)流動(dòng)驅(qū)動(dòng)了外核中液態(tài)鐵的對流，在地球自轉(zhuǎn)的作用下，渦電流持續(xù)地產(chǎn)生磁場。這個(gè)過程涉及到熱量的傳輸、流體的運(yùn)動(dòng)、電磁場的變化，是一個(gè)復(fù)雜的磁流體問題，因此地球發(fā)電機(jī)理論需要使用相應(yīng)的磁流體力學(xué)方程來描述這整個(gè)過程。

由于問題的復(fù)雜性以及計(jì)算機(jī)能力的限制，直到1995年，人們才得到了第一個(gè)自洽的數(shù)值計(jì)算模型——Glatzmaier-Roberts模型。令人欣喜的是，這個(gè)模型成功地產(chǎn)生了地球磁場的一些特征。

計(jì)算結(jié)果顯示，模擬磁場與地球磁場的強(qiáng)度非常接近，并且具有相似的偶極結(jié)構(gòu)——磁感線從一極發(fā)出，擴(kuò)散到空間中，最終又回歸另一極。此外，在模擬的 36000 年時(shí)間里，磁極確實(shí)發(fā)生了反轉(zhuǎn)，這次反轉(zhuǎn)大約用了1000年時(shí)間，在反轉(zhuǎn)過程中，磁場強(qiáng)度急劇減小，并在反轉(zhuǎn)之后立即恢復(fù)，與地磁記錄的反轉(zhuǎn)過程頗為相似。

數(shù)值模擬生成的磁場與地球磁場具有相似的偶極結(jié)構(gòu)（一邊為N極，一邊為S極）。| Gary Glatzmaier

更有意思的是，模擬過程提供了地磁記錄也無法保留的細(xì)節(jié)。在模擬磁極反轉(zhuǎn)的整個(gè)過程中，外核中的流體實(shí)際上會不斷地試圖反轉(zhuǎn)磁場，但由于內(nèi)核的磁場是在更加漫長的時(shí)間尺度上緩慢衰減，所以這種反轉(zhuǎn)的嘗試大多被阻止。只有在非常少的情況下，才會出現(xiàn)一次成功的磁極反轉(zhuǎn)。這或許解釋了為何地球磁極在兩次反轉(zhuǎn)之間的時(shí)間間隔如此之長，并且出現(xiàn)時(shí)間是隨機(jī)的。

模擬中出現(xiàn)的磁極反轉(zhuǎn)過程。從左到右三張圖分別對應(yīng)，反轉(zhuǎn)前500年，反轉(zhuǎn)過程中，反轉(zhuǎn)后500年。| Gary Glatzmaier

05.

更真實(shí)的地球磁場產(chǎn)生機(jī)制

相比于真實(shí)的地球磁場產(chǎn)生機(jī)制而言，這只是一個(gè)非常簡化的模型。例如，除了外核中液態(tài)鐵的結(jié)晶，驅(qū)動(dòng)對流的熱量還可能來源于地球最初形成時(shí)蘊(yùn)藏在內(nèi)部的熱量，密度較大的物質(zhì)向核心沉淀時(shí)摩擦產(chǎn)生的熱量，以及放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量。

另一方面，越來越多的地震波數(shù)據(jù)和模擬地球深處高溫高壓環(huán)境的實(shí)驗(yàn)都表明，地球核心并非由純鐵構(gòu)成，而很有可能摻雜了硅、氧、硫、碳等各種輕元素。這些元素的存在可能影響了地球內(nèi)部的熱量和物質(zhì)流動(dòng)，從而進(jìn)一步影響地球磁場的產(chǎn)生機(jī)制和演化歷史。

就在今年（2020年）7月，發(fā)表于《自然通訊》上的一項(xiàng)研究就探索了硅元素的存在會如何影響從地核到地幔的熱量傳輸。研究發(fā)現(xiàn)，在接近地球外核的溫度和壓力條件下，當(dāng)鐵中溶解的硅的質(zhì)量達(dá)到8%時(shí)，硅鐵合金的導(dǎo)熱率會下降到只有純鐵的一半。

我們已經(jīng)知道，地球發(fā)電機(jī)要良好運(yùn)轉(zhuǎn)就需要一定的熱量來提供驅(qū)動(dòng)力，而地核物質(zhì)的導(dǎo)熱率對這個(gè)熱量流動(dòng)的過程會產(chǎn)生重要影響：如果地核導(dǎo)熱率很高，從地核向地幔傳遞的熱流就比較多，這時(shí)就需要額外的物質(zhì)對流來維持發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)；反之，如果地核導(dǎo)熱率足夠低，從地核向外傳遞的熱流就比較少，單純的熱對流就足以維持發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

由于鐵中摻雜其他輕元素很可能具有與硅鐵合金相似的效果，由此推想，如果地核中確實(shí)摻雜有輕元素，那么地球發(fā)電機(jī)或許可以在熱對流這唯一一個(gè)驅(qū)動(dòng)力的作用下運(yùn)轉(zhuǎn)，而無需額外的物質(zhì)對流。另一方面，地球的內(nèi)核因?yàn)橹恍枰峁└俚臒崃浚哪挲g可能比預(yù)期的更古老。