磁场强度|什么？地球内部藏着一个大型发电机？
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 。
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保护地球生命的磁场屏障 。 |carnegiescience.edu
作者 | 陈天真
责编 | 高佩雯
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 。
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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 。
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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 。
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