地球磁场为什么能稳定存在?

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  地球内部,有一个发电机,在维持地磁场长期运转。并且,其中的物质交换和热量交换,让它可以十分持久。

  

  保护地球生命的磁场屏障。|carnegiescience.edu

  作者 | 陈天真

  我们的地球之所以能成为生机勃勃的存在,一个很大的原因在于它有一个可以屏蔽太阳风和宇宙射线中危险带电粒子的磁场。

  说到地球磁场,大多数人头脑中大概会想象出一块巨大的磁铁,它的北极大致指向地球的地理南极,南极大致指向地理北极。实际上,这与历史上人们对于地球磁场的想象颇为相似——地球就像是一块巨大的磁石,它的磁场稳定,并长期存在。

  

  地球磁场示意图。|Peter Reid / NASA

  但事实真的是这样吗?地球到底是如何产生磁场的?它又为何可以如此持久?实际情形比想象的要复杂得多。

  01.

  地球如何产生磁场?

  我们知道,磁来自于电,变化的电场可以激发磁场,变化的磁场又可以反过来激发电场,如此往复不绝。20世纪的时候,人们已经用优美的麦克斯韦方程,将电、磁、光三种现象统一了起来,许多科学家因此恍惚感觉,物理学的大厦已经落成,万事万物皆在掌握之中。

  然而,对于地球如何产生磁场这件事情,科学家们却仍然莫衷一是。

  许多人都提出了可能的解释。例如,爱因斯坦认为,这或许是因为在地球内部,电子携带的负电荷与质子携带的正电荷总数不相等,从而导致整个地球具有磁场。诺贝尔物理学奖得主 Patrick Blackett 试图通过实验来寻找地球自转角动量和磁矩的关系,结果始终一无所获。爱尔兰物理学家和数学家拉莫(Joseph Larmor)则猜测,或许有一个发电机产生了地球的磁场……

  咦,地球内部有一个发电机?这个想法听起来似乎有些天马行空,但事实上,目前被普遍接受的地球磁场理论——“地球发电机”理论正是萌芽于此。

  02.

  神奇的“地球发电机”

  要了解地球为什么能产生磁场,首先需要了解地球的结构。这是地磁场存在的物质基础。可以猜测,它和一些磁性物质有关。比如铁。实际上也的确如此。

  正如遥远恒星坍缩产生的各种元素形成了宇宙中新的恒星和行星,地球也是由最初弥漫在太阳系中的气体和尘埃吸积而成的。在地球形成过程中,密度较大的铁元素向着核心沉积,与周围的硅酸盐分离,最终,不同密度的物质不断分层,形成了如今的地核、地幔和地壳。

  虽然我们无法进入到地球深处,但横穿过地球的地震波却可以帮助我们了解地球的内部结构。由于地球内部各种物质的密度和物理特性不同,地震波这种最为强大的声波会受到不同程度的散射,导致地球另一端接收到回波的时间有所差异。我们据此就可以知道,这些物质是固态还是液态,密度是多少,等等。

  科学家很早就破解了地震波的密码,他们发现,地核实际上分成两层,虽然这两层的主要物质组成都是铁,但外核是熔融的液态铁,内核则因为受到更大压力而呈现为固态。这个坚固的内核大小相当于月球的70%(半径),温度则接近炽热的太阳表面。

  

  地球内部结构。它有着固态铁内核(半径约占20%)和液态铁外核(半径约占55%)。

  |shutterstock/JohanSwanepoel

  就像埋藏于地球深处的化石记录了生命的演化历史一样,古老的岩石也记录着地球磁场的演化历史。在岩石最初形成并冷却的过程中,岩石颗粒中的电子会受到周围磁场的影响,朝向磁场的方向偏移,从而记录下当时地球磁场的强度和方向。

  通过研究岩石中物质的磁性,物理学家Walter Elsasser逐渐揭示了地球磁场的演化历史,并在上世纪40年代提出了更为完善的地球发电机理论。这个理论认为,是地球外核中处于熔融状态的金属铁的对流持续地产生着磁场。

  03.

  源源不断的动力

  古地磁记录表明,地球磁场已经存在了至少30亿年。然而我们知道,如果地球的磁场是像永久磁铁那样,那么它应当在大约2万年内衰减殆尽,因为地核的温度太高,热运动会让铁原子(类似一个个小磁针)的指向杂乱无章,无法维持永久磁性。

  另一方面,古地磁记录也显示,地球磁场的两极在过去曾多次反转,两次反转之间的时间间隔平均而言大约是20万年,一次反转事件——从磁场变弱,到消失,再到产生反向磁场——只需要几千年就可以完成。

  地球磁场的这些性质都表明,在地球内部存在着一种特殊的机制,可以持续地产生磁场。科学家们据此推测,这种机制就是在地球的流体外核中持续运转的对流发电机。

  地球发电机理论认为,随着地球逐渐冷却,外核中熔融的液态铁会在内核边界处缓慢结晶,释放出热量和溶解于其中的轻元素。这些释放的热量和轻元素的浮力作用为外核中液态铁的对流提供了源源不断的驱动力。

  与此同时,地球自转产生的科里奥利力*会将流体扭曲成螺旋状,沿着地球自转轴的方向排列。这样,原来的磁场在液态铁中激发出涡电流,结果就像高中课本上的螺旋线圈一样,这些带电的流体又不断产生新的磁场,来弥补逐渐衰减的磁场。

  *科里奥利力:在惯性系中,物体原本因为惯性沿着直线运动,但由于地球的自转,在其上的观察者看来,物体的运动轨迹会发生偏离,好像受到了一个力的作用,这个假想的力就是科里奥利力。科里奥利力是一种复合离心力,它让物体仿佛发生切向的和径向的偏离。

  

  地球发电机产生地球的磁场。地球外核中的液态铁被扭曲成螺旋状。| Wikipedia

  然而,这种假想的机制真的可以描述真实的地球磁场吗?科学家们一直希望能够通过理论计算构建模型,模拟真实的地球磁场。

  04.

  实验模拟地球磁场

  从上面的描述中我们知道,地球核心的热量和物质流动驱动了外核中液态铁的对流,在地球自转的作用下,涡电流持续地产生磁场。这个过程涉及到热量的传输、流体的运动、电磁场的变化,是一个复杂的磁流体问题,因此地球发电机理论需要使用相应的磁流体力学方程来描述这整个过程。

  由于问题的复杂性以及计算机能力的限制,直到1995年,人们才得到了第一个自洽的数值计算模型——Glatzmaier-Roberts模型。令人欣喜的是,这个模型成功地产生了地球磁场的一些特征。

  计算结果显示,模拟磁场与地球磁场的强度非常接近,并且具有相似的偶极结构——磁感线从一极发出,扩散到空间中,最终又回归另一极。此外,在模拟的 36000 年时间里,磁极确实发生了反转,这次反转大约用了1000年时间,在反转过程中,磁场强度急剧减小,并在反转之后立即恢复,与地磁记录的反转过程颇为相似。

  

  数值模拟生成的磁场与地球磁场具有相似的偶极结构(一边为N极,一边为S极)。| Gary Glatzmaier

  更有意思的是,模拟过程提供了地磁记录也无法保留的细节。在模拟磁极反转的整个过程中,外核中的流体实际上会不断地试图反转磁场,但由于内核的磁场是在更加漫长的时间尺度上缓慢衰减,所以这种反转的尝试大多被阻止。只有在非常少的情况下,才会出现一次成功的磁极反转。这或许解释了为何地球磁极在两次反转之间的时间间隔如此之长,并且出现时间是随机的。

  

  模拟中出现的磁极反转过程。从左到右三张图分别对应,反转前500年,反转过程中,反转后500年。| Gary Glatzmaier

  05.

  更真实的地球磁场产生机制

  相比于真实的地球磁场产生机制而言,这只是一个非常简化的模型。例如,除了外核中液态铁的结晶,驱动对流的热量还可能来源于地球最初形成时蕴藏在内部的热量,密度较大的物质向核心沉淀时摩擦产生的热量,以及放射性元素衰变产生的热量。

  另一方面,越来越多的地震波数据和模拟地球深处高温高压环境的实验都表明,地球的核心并非由纯铁构成,而很有可能掺杂了硅、氧、硫、碳等各种轻元素。这些元素的存在可能影响了地球内部的热量和物质流动,从而进一步影响地球磁场的产生机制和演化历史。

  就在今年(2020年)7月,发表于《自然通讯》上的一项研究就探索了硅元素的存在会如何影响从地核到地幔的热量传输。研究发现,在接近地球外核的温度和压力条件下,当铁中溶解的硅的质量达到8%时,硅铁合金的导热率会下降到只有纯铁的一半。

  我们已经知道,地球发电机要良好运转就需要一定的热量来提供驱动力,而地核物质的导热率对这个热量流动的过程会产生重要影响:如果地核导热率很高,从地核向地幔传递的热流就比较多,这时就需要额外的物质对流来维持发电机的运转;反之,如果地核导热率足够低,从地核向外传递的热流就比较少,单纯的热对流就足以维持发电机的运转。

  由于铁中掺杂其他轻元素很可能具有与硅铁合金相似的效果,由此推想,如果地核中确实掺杂有轻元素,那么地球发电机或许可以在热对流这唯一一个驱动力的作用下运转,而无需额外的物质对流。另一方面,地球的内核因为只需要提供更少的热量,它的年龄可能比预期的更古老。

  

  我们的蓝色星球。其内核可能比预期的更古老。|NASA

  地震波横穿地球带来的信息,古老岩石记录的地球历史,地球科学家在实验室和计算机中模拟自然的工作,都让我们更多地了解到地球如何持续地产生磁场。然而,我们也看到,即便对于如此基本的问题,我们仍然所知甚少。

  我们曾经幻想登上月球,探索火星,这些如今都已实现,但是我们从未到达过地心。事实上直到今天,要探索地球的核心仍然是非常困难的,某种程度上而言,地球的核心甚至比冥王星的表面更加难以企及。

  参考资料:

  [1]https://websites.pmc.ucsc.edu/~glatz/geodynamo.html

  [2]https://en.wikipedia.org/wiki/Dynamo_theory#cite_note-4

  [3]https://www.nature.com/articles/s41467-020-17106-7

  [4]https://carnegiescience.edu/news/how-does-earth-sustain-its-magnetic-field

  [5]https://www.scientificamerican.com/article/why-is-the-earths-core-so/

  [6]http://www.bbc.com/earth/story/20150814-what-is-at-the-centre-of-earth

  文章由“十点科学”(ID:Science_10)公众号发布,转载请注明出处。

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