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地球為什么有磁場？磁場又為什么會反轉(zhuǎn)?近來對于地球內(nèi)部的相關(guān)研究，為下次的地磁反轉(zhuǎn)提供了新的線索。

大多數(shù)人認(rèn)為，指北針當(dāng)然指向北方。數(shù)千年以來，水手依靠地球磁場來導(dǎo)航；而鳥類和其他對磁場敏感的動物已經(jīng)應(yīng)用這個方法有更長一段時間了。說來奇怪，地球的磁極并不是一直都指向現(xiàn)在的方向。

礦物可以記錄過去地球磁場的方向，人們利用這一點，發(fā)現(xiàn)在地球45億年的歷史中，地磁的方向已經(jīng)在南北方向上反復(fù)反轉(zhuǎn)了好幾百次。不過，在最近的78萬年內(nèi)都沒有發(fā)生過反轉(zhuǎn)??這比地磁反轉(zhuǎn)的平均間隔時間25萬年要長了許多。更有甚者，地球的主要地磁場自從1830年首次測量至今，已經(jīng)減弱了近10%。這比在失去能量來源的情況下磁場自然消退的速度大約快了20倍！下一次地磁反轉(zhuǎn)即將來臨嗎？

地球物理學(xué)家很早就知道，地球磁場變化的原因來源于地球中心的深處。地球像太陽系里的其他某些天體一樣，是通過一個內(nèi)部的發(fā)電機來產(chǎn)生自己的磁場。從原理上，地球“發(fā)電機”和普通發(fā)電機一樣工作，即由其運動部份的動能產(chǎn)生電流和磁場。發(fā)電機的運動部份是旋轉(zhuǎn)的線圈；行星或恒星內(nèi)部運動部分則發(fā)生在可導(dǎo)電的流體部分。在地心，有著6倍于月球體積的巨大鋼鐵融流海洋，構(gòu)成了所謂的地球發(fā)電機(geodynamo)。

直到最近，科學(xué)家還主要依靠簡化的理論來解釋地球發(fā)電機和它的磁性秘密。然而在過去10年中，研究人員已經(jīng)發(fā)展了新的方法來研究地球發(fā)電機的詳細(xì)工作機制：人造衛(wèi)星可以提供地球表面地磁場的清晰圖像；同時，人們正在超級計算機上模擬地球發(fā)電機和在實驗室里建立物理模型來解釋這些軌道觀測結(jié)果。這些工作對于過去磁極反轉(zhuǎn)如何發(fā)生提出了一種很吸引人的解釋，并對下一次反轉(zhuǎn)可能如何開始提供了線索。

驅(qū)動地球發(fā)電機

我們探究磁場如何反轉(zhuǎn)之前，需要了解是什么驅(qū)動著地球發(fā)電機。在1940年代，物理學(xué)家就公認(rèn)：三個基本條件對產(chǎn)生任何的行星磁場是必需的，并且自那以后的其他發(fā)現(xiàn)都是建立在這一共識之上。第一個條件是：要有大量的導(dǎo)電流體──地球地心的外核是富含鐵的流體。這個臨界層包裹著一個幾乎純鐵的固態(tài)地心內(nèi)核，深埋在厚重的地幔和極薄地大陸、海洋地殼之下。距離地表的深度約2900千米。地殼和地幔重量帶來的極大負(fù)荷，造成了地核內(nèi)的平均壓力是地表壓力的200萬倍。此外，地心的溫度也同樣極端──大約為攝氏5000度，和太陽表面的溫度相近。

這些極端的環(huán)境條件，構(gòu)成了行星發(fā)電機的第二要件：驅(qū)動流體運動的能量來源。驅(qū)動地球發(fā)電機的能量，部份是熱能，部份是化學(xué)能??兩者都在地心深處造成浮力。就像一鍋在火爐上熬著的湯一樣，地心的底部比頂部熱(地心的高溫是地球形成時截留在地球中心的熱能)。這意味著地心底部較熱的、密度較低的鐵趨向于上升，就像熱湯里的水滴。當(dāng)這些流體到達(dá)地心頂部時，會由于碰到上覆的地幔而喪失部份熱量。于是液態(tài)鐵會冷卻、密度變得比周圍的介質(zhì)高，從而下沉。這個通過流體的上升和下降來自下而上傳遞熱量的過程稱為熱對流。

現(xiàn)任職于美國加州大學(xué)洛杉磯分校的StanislavBraginsky在1960年代指出過，熱量從地心上部的外核逸出也會導(dǎo)致地心固態(tài)內(nèi)核體積的膨脹，產(chǎn)生兩種另外的浮力來源來驅(qū)動對流。當(dāng)液體的鐵在固態(tài)內(nèi)核的外部凝固成晶體時，潛在的熱量??結(jié)晶熱會作為副產(chǎn)品被釋放出來。這些熱量有助于增強熱浮力。此外，密度較低的化合物(如硫化鐵和氧化鐵)被內(nèi)核的結(jié)晶體排出并穿過外核上升，也會加強對流。

行星要產(chǎn)生自維持的磁場，還需要第三個條件：旋轉(zhuǎn)。地球的自轉(zhuǎn)通過科里奧效應(yīng)(Corioliseffect)使地心內(nèi)上升的流體偏轉(zhuǎn)，就像我們在氣象衛(wèi)星影像上看到的洋流和熱帶風(fēng)暴被科里奧效應(yīng)扭曲成熟悉的漩渦狀一樣。在地心中，科里奧力(Coriolisforces)使上涌的流體偏轉(zhuǎn)，沿著螺旋形的軌跡上升，仿佛沿著松弛彈簧的螺旋狀金屬線運動。

地球有著一個富含鐵的液態(tài)地心能夠?qū)щ姟⒂凶銐虻哪芰框?qū)動對流、有科里奧力使對流的流體偏轉(zhuǎn)，這些是地球發(fā)電機能夠維持它本身數(shù)十億年的主要原因。但科學(xué)家需要更多證據(jù)來回答磁場的形成和為什么隨著時間的推移會改變極性等令人迷惑的問題。

根據(jù)衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)外推至地心-地幔邊界的地球磁場的等高線圖顯示大部分磁通量是在南半球穿出地心，在北半球進入地心。但是在少數(shù)特殊區(qū)域，確實出現(xiàn)了相反的情況。這些反向通量帶在1980年和2000年之間增長和擴張；如果它們覆蓋了兩極，接著就會發(fā)生極性反轉(zhuǎn)。

超級計算機模擬

為了進一步研究反向通量帶是怎樣發(fā)展的，以及它們是如何導(dǎo)致下次極性反轉(zhuǎn)開始的，研究人員在超級計算機上和實驗室里模擬了地球發(fā)電機。計算機用于地球發(fā)電機模擬的新時代開始于1995年，有三個研究組獨立發(fā)展了能夠產(chǎn)生類似地球表面磁場的數(shù)值模擬方法，他們分別是：日本東京大學(xué)的AkiraKageyama和他的合作者、美國加州大學(xué)洛杉磯分校的Paulh.Roberts和本文作者之一(Glatzmaier)和英國�？巳�特大學(xué)的ChristopherA.Jones及其同事。其后，針對數(shù)十萬年的模擬已經(jīng)證明對流確實可以在地心-地幔邊界上產(chǎn)生反向通量帶，模擬結(jié)果和在人造衛(wèi)星圖像上發(fā)現(xiàn)的反向通量帶類似。這些反向通量帶往往在自然磁極反轉(zhuǎn)前出現(xiàn)，這在一些模擬中能夠再現(xiàn)。

計算機產(chǎn)生的極性反轉(zhuǎn)結(jié)果給研究者提供了這種變化可能如何開始和進行的基本輪廓[參見下頁圖文]。一個三維模擬結(jié)果可以解釋當(dāng)偶極場的強度減弱的時候，反轉(zhuǎn)就開始了，得到這一結(jié)果要在一年多的時間里每天運行12小時模擬程序來模擬自然界的30萬年時間�，F(xiàn)在地心-地幔邊界上形成的幾個磁場通量反轉(zhuǎn)帶隨之出現(xiàn)了。但是原來的磁場不是完全消失，反轉(zhuǎn)通量帶是在轉(zhuǎn)換中形成了一個較弱的復(fù)雜混合極性磁場。

通過觀察地球模型，當(dāng)反轉(zhuǎn)通量帶在地心-地幔邊界上和原來的極性相比開始占據(jù)優(yōu)勢的時候，極性反轉(zhuǎn)就發(fā)生了�？傮w上，貫穿地心的原來極性消失和新極性形成將持續(xù)大約9000年。

遺漏了什么

部分由于這些成功，計算機發(fā)電機模型被迅速采用了。據(jù)上次的統(tǒng)計，世界范圍內(nèi)有超過12個研究團隊正在使用這些模型來幫助研究太陽系以內(nèi)及以外的天體內(nèi)產(chǎn)生的磁場。但是這些模型和地球?qū)嶋H發(fā)電機的符合程度怎樣？事實是沒有人確切知道。

還沒有計算機發(fā)電機模型能夠模擬存在于行星內(nèi)部的較寬頻譜的紊流，這主要是因為目前的大型并行超級計算機還不能勝任三維環(huán)境下采用現(xiàn)實物理參數(shù)來精確模擬磁場紊流的任務(wù)。在地心中扭曲磁場的最小紊流漩渦發(fā)生的尺度或許是數(shù)米到數(shù)十米，遠(yuǎn)小于在目前的超級計算機上現(xiàn)有的全球地球發(fā)電機模型能夠處理的尺度。這意味著所有的地球發(fā)電機三維計算機模型迄今為止只能模擬簡化的、大尺度的層狀對流流體，類似于灼熱的礦物油在油燈內(nèi)的上升情況。

為了在層流模型中得到近似紊流的效果，研究人員對流體核的某些屬性使用了不切實際的大數(shù)值，這些流體核在現(xiàn)實世界中是如此之小，以至于很難用數(shù)值方法來解決。為了在計算機模型里模擬真正的紊流，研究人員必須借助于二維視圖。關(guān)鍵是二維流體不能維持發(fā)電機工作。這些模型還說明了目前地球發(fā)電機模擬出的層流和地心中存在的紊流相比還是過于平穩(wěn)和簡單。

可能最顯著的不同是流體穿過地心時的上升路線。在簡化的層對流模擬中，大的流體柱從地心的底部一直延伸到頂部。另一方面，在二維紊流模型中對流可以由多個小流體柱和靠近地心上下邊界的漩渦標(biāo)識并和中間區(qū)域的主要對流相互作用。

流體模式的這種不同，對地球磁場的結(jié)構(gòu)和發(fā)生各種變化的時間有很大的影響。這是為什么研究人員堅持不懈地研發(fā)下一代三維模型的原因。也許十年后的某一天，計算機處理速度的進步將使模擬紊流發(fā)電機成為可能。在那以前，我們希望從現(xiàn)在進行的實驗室發(fā)電機實驗中獲取更多的了解。

實驗室發(fā)電機

增進對地球發(fā)電機了解的一個好方法把計算機發(fā)電機模型(缺乏紊流)和實驗室發(fā)電機模型(缺乏對流)作比較�？茖W(xué)家在1960年代首次展示了實驗室范圍發(fā)電機的可能性，但是離成功還有很長的路。實驗室裝置和實際行星的內(nèi)核在大小方面的巨大不同是一個至關(guān)重要的因素。一個能夠自維持的流體發(fā)電機需要一個和維數(shù)無關(guān)的參數(shù)，稱之為磁雷諾數(shù)(magneticReynoldsnumber)，應(yīng)超過一個最小值，大致為10。

地球地心的磁雷諾數(shù)很大，可能大約為1000，這主要是因為地球的線尺寸很大(地心的半徑大約是3485千米)。簡單外推就是，用體積很小的流體產(chǎn)生一個很大的磁雷諾數(shù)是極端困難的，除非高速移動這一流體。

幾個世紀(jì)以來，在實驗室流體發(fā)電機里產(chǎn)生連續(xù)磁場的夢想首先實現(xiàn)于2000年，當(dāng)時歐洲的兩個研究團隊??一個由拉脫維亞大學(xué)的AgrisGailitis領(lǐng)導(dǎo)，另一個由德國卡爾斯魯厄研究中心的RobertStieglitz和UlrichMüller以及德國拜羅伊特大學(xué)的FritzBusse組成??獨立地實現(xiàn)了在大量的液鈉里自己產(chǎn)生磁場。(采用液鈉是因為鈉具有高導(dǎo)電性和低熔點。)兩個研究團隊都找到了在1-2米長的螺旋型管道系統(tǒng)中獲得高速流體的方法，從而得到了大約為10的臨界磁雷諾數(shù)。

這些實驗結(jié)果證實了理論，讓我們可以估計什么時候應(yīng)用發(fā)電機理論于地球和其他行星。目前世界范圍內(nèi)的許多研究團隊正在緊張地發(fā)展下一代實驗室發(fā)電機。為了更好地模擬地球的幾何形狀，這些實驗將在大型球狀容器中攪動液鈉，直徑最大的達(dá)3米。

除了正在進行的更真實的實驗室發(fā)電機和三維計算機模擬計劃以外，國際衛(wèi)星CHAMP計劃(ChallengingMinisatellitePayload，挑戰(zhàn)小衛(wèi)星有效載荷的簡寫)正在制定高精度的地磁場測量計劃，精度足以實時直接測量地磁場在地心-地幔邊界的變化。研究人員預(yù)計該衛(wèi)星在它的5年運行期內(nèi)可以提供地磁場的連續(xù)圖像，允許其監(jiān)測反向通量帶的連續(xù)增長，以及其他偶極場減弱的線索。

預(yù)計人造衛(wèi)星觀測、計算機模擬和實驗室實驗這三種方法在下一個或兩個十年內(nèi)可以被綜合。通過對神奇的地球發(fā)電機更全面的描繪，人們將認(rèn)識到我們目前關(guān)于地磁場和它的反轉(zhuǎn)的理論是否方向?qū)︻^。

稿源：環(huán)球科學(xué)

本文來自：逍遙右腦記憶 http://www.douzifanli.com/chuzhong/923234.html

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