更新于:星期四, 七月 22日 2021, 9:59 上午

地球磁场的成因曾经被科学大师爱因斯坦列为理论物理学的三大未解决的难题之一也是迄今未得到合理解释的地球科学的理论难题^[1]。磁性是地球的基本属性之一,人类早就认识了地球的磁性。自从人类认识了地球的磁性以后就希望能探秘地球磁性的形成原因。为解释地磁的成因人们提出了多种假说至今仍在继续探索和研究。一般通过应用经典电磁理论定性地分析地轴参考系中地球上电荷间洛仑兹力的特点和电荷的运动规律并据此阐述地球磁场的形成机理同时说明地球不仅具有自身的磁场而且具有自身的电场,地球电场和地球磁场是不可分割的统一体^[2]。目前普遍接受的是地磁场的发电机理论,即地球电场和地球磁场源自于地球的自转和地球上正负电荷的非对等分布。地球自转带动地球上的静电荷(相对于在不停地自转的地球静止的电荷)相对于地轴做匀速圆周运动就产生磁场。在地轴参考系中(即选地轴作为参考系)视地球为真空中的理想均质固体导体球分析地球电场和地球磁场的形成机理。地球磁场按场源电荷的运动形式分类可分为主磁场和偏磁场按场源电荷的汇集点在地球上所处的位置分类可分为中心磁场和极地磁场^[3]。地球上任意一点的磁场都是由该点的主磁场和偏磁场叠加而成主磁场又是由中心磁场和极地磁场叠加而成^[3]。该理论在观测、实验、理论和研究上得到较多证实也能较好的解释地磁反转现象地球发电机理论认为地球内核有流动的熔融态铁形成导电的“汪洋”,导电流体依据电流的磁效应必然会产生磁场,因此这便是地磁场的由来。包括地球在内的大部分太阳系行星以及包括太阳在内的所有恒星都会因导电流体的运动而产生磁场^[4]。

磁场作图

地球的磁场源于半径为3400公里(地球半径为6370公里)、由铁合金组成的地核。地核分为半径为1220公里的固态内核和液态外核。内核(温度约为6000K,573°C,10340F))的热量向核幔边界(温度约为3800K,353°C,6380F))传导时会推动液态外核的流动。内核的高温来自于行星分异期间较重物质下沉时释放的引力势能以及核内放射性元素衰变时释放的热能。外核流动的形状与地球的自转及固态的内核有关。地球产生磁场的原理称为发电机理论。电流及其所产生的磁场之间存在一种反馈作用:电流回路产生磁场(安培定律)磁场的变化产生电场(法拉第定律)磁场和电场又反过来对电流中的电荷施力(洛伦兹力)。综合起来可用一条称为“磁感应方程”的偏微分方程来描述如此形成的磁场:

其中u为流体的速度B为磁场η=1/σμ为磁扩散率(与电导率σ和磁导率μ之积成反比)。∂B/∂t是磁场的时间导数,∇2是拉普拉斯算子,∇×是旋度算子^[5,6]。

地球圈层

磁感应方程右边的第一项描述的是扩散。在静止不动的流体当中磁场会减弱聚集的磁场也会扩散开来。一旦地球发电机在某天停止运动地磁场的偶极分量就会在几万年内慢慢消失。在一个完美电导体(σ=∞)里不可能发生扩散。根据楞次定律磁场的任何变动会产生抵抗这一改变的电流因此进出一个给定体积流体的磁通量不会改变。流体在移动时磁场会与其一同移动。这一现象称为“磁冻结定理”。就算流体不是完美电导体其流动时也会拉长磁场线并产生新的磁场。若不是因为磁场在加强时会抵抗流体的运动这一过程会无止境地产生新磁场。浮力所致的对流使得外核流体可以持续运动。在地球内部越往深处温度越高。越高温温度越高。越高温的流体浮力越大。另外,所谓的“成分对流”现象有加强浮力的作用:当地核冷却时,其中一些熔融铁会凝固并沉积在内核表面,流体中留下较轻的元素,因此密度降低。地球自转所产生的科里奥利效应会使流体的运动形成南北轴向的卷状物。发电机可以加强磁场,但整个过程最开始的时候需有初始磁场。地球的初始磁场可能来自地球以外:地球的初始磁场可能来自地球以外:太阳在其形成初期曾经经历过一个金牛T星阶段,此时的太阳风所致磁场可能比今天强几个数量级。但是,一大部分来自太阳的磁场可能会被地幔阻挡。初始磁场也有可能来自核幔边界上的化学反应界上的化学反应,或来自导热性和导电性的变化。根据计算,地球外核的平均磁场强度为25高斯,是地表强度的50倍^[7]。

太阳风作用下地磁层的形成

但是,有研究指出:地球的外核不能产生稳定的偶极磁场,发电机理论对偶极磁场是无效的^[7]。首先从磁源深度的研究结果来看偶极磁场的磁源已位于固态内核中。若这一结论能确认是正确的,偶极磁场肯定不是发电机效应产生的。由于我们对地球内部的了解太少这一结论需留有余地。为此我们又从外核流体运动的可能形态探讨发电机效应产生偶极磁场的可能发现在外核流体中找不到能激发稳定偶极磁场的流场。此外又对外核流体运动的状态进行了推测发现外核中不存在引起较大区域流速变化的动力源外核流体的运动应相对平稳的绕地轴旋转这一点不利于发电机效应的产生。这几面都说明地球的偶极磁场不是或很难是发电机效应产生的。由于地球偶极磁场占地球磁场的是地球磁场最主要、最基本的部分,地磁发电机理论的主导地位应受到质疑。将地磁研究的希望完全寄托于地磁发电机理论是需要斟酌的。

另外俞光明还探究了初始弱外场的成因^[4]。初始磁场的产生与地球的起源有着密切的关系它是地球起源时期形成的物理特性的痕迹标志。在原始的行星星云中由于没有足够的能量湍流和涡流无法得以长久地维持由于引力的不稳定。原始的行星星云瓦解着一系列大的气休球(原行星)。从原行星到地球的形成大致经历四个阶段即原行星阶段、自引力收缩阶段、地球固化和地核‘液化’阶段、及大规模对流运动的出现、地球内部圈层的分化和差速自转的稳定阶段。上述各阶段的磁场特征都有较大差异,第一阶段,维系地球磁场的机制是在原始星云磁场作用下的湍流运动和行星尺度的“气体”发电机机制,它们使原始磁场逐渐增强并达到相对稳定。第二阶段,原始磁场可用“固核”发电机机制予以维系,由于固核的存在气体的运动受到一定的限制,因而磁场强度相对于前一阶段逐渐减小。第三阶段,地球固化使湍流磁场效应和涡流运动行星尺度气休发电机机制均消失地球磁场依靠物质的磁化作用得以保存。由于地球内部温度升高地球内部出现了消磁效应,从内到外磁性逐渐开始消失,原始磁场强度迅速减小,磁性仅保留在地球的壳层与此同时。地球内部温度的增加使地核“液化”,微弱的差异自转和内部对流的萌发驱动了最初的地磁发电机。第四阶段,地球内部强烈的对流运动和差速自转启动了地磁发电机从而维系和增强了地球的基本磁场。

参考文献
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