磁场强度|什么？地球内部藏着一个大型发电机？( 二 )
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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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