□作者: Gary A. Glatzmaier 和 Peter Olson
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地球為什麼有磁場？磁場又為什麼會反轉?近來對于地球內部的相關研究，為下次的地磁反轉提供了新的線索。
計算機模擬的地球發電機的磁力線說明了地球磁場在地球外部比在地心（中心的一團亂麻）簡單得多。在地球表面，磁場的主要部分從南極附近穿出（黃線），在北極附近進入地表（藍線） |
大多數人認為，指北針當然指向北方。數千年以來，水手依靠地球磁場來導航；而鳥類和其他對磁場敏感的動物已經應用這個方法有更長一段時間了。說來奇怪，地球的磁極並不是一直都指向現在的方向。
礦物可以記錄過去地球磁場的方向，人們利用這一點，發現在地球45億年的歷史中，地磁的方向已經在南北方向上反復反轉了好幾百次。不過，在最近的78萬年內都沒有發生過反轉——這比地磁反轉的平均間隔時間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！下一次地磁反轉即將來臨嗎？
地球物理學家很早就知道，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，是通過一個內部的發電機來產生自己的磁場。從原理上，地球“發電機”和普通發電機一樣工作，即由其運動部份的動能產生電流和磁場。發電機的運動部份是旋轉的線圈；行星或恆星內部運動部分則發生在可導電的流體部分。在地心，有著6倍于月球體積的巨大鋼鐵融流海洋，構成了所謂的地球發電機（geodynamo）。
直到最近，科學家還主要依靠簡化的理論來解釋地球發電機和它的磁性秘密。然而在過去10年中，研究人員已經發展了新的方法來研究地球發電機的詳細工作機制︰人造衛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電機和在實驗室里建立物理模型來解釋這些軌道觀測結果。這些工作對于過去磁極反轉如何發生提出了一種很吸引人的解釋，並對下一次反轉可能如何開始提供了線索。
驅動地球發電機
我們探究磁場如何反轉之前，需要了解是什麼驅動著地球發電機。在1940年代，物理學家就公認︰三個基本條件對產生任何的行星磁場是必需的，並且自那以後的其他發現都是建立在這一共識之上。第一個條件是︰要有大量的導電流體──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地心內核，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荷，造成了地核內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。
這些極端的環境條件，構成了行星發電機的第二要件︰驅動流體運動的能量來源。驅動地球發電機的能量，部份是熱能，部份是化學能——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。當這些流體到達地心頂部時，會由于踫到上覆的地幔而喪失部份熱量。于是液態鐵會冷卻、密度變得比周圍的介質高，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。
現任職于美國加州大學洛杉磯分校的Stanislav Braginsky在1960年代指出過，熱量從地心上部的外核逸出也會導致地心固態內核體積的膨脹，產生兩種另外的浮力來源來驅動對流。當液體的鐵在固態內核的外部凝固成晶體時，潛在的熱量——結晶熱會作為副產品被釋放出來。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）被內核的結晶體排出並穿過外核上升，也會加強對流。
行星要產生自維持的磁場，還需要第三個條件︰旋轉。地球的自轉通過科里奧效應（Coriolis effect）使地心內上升的流體偏轉，就像我們在氣象衛星影像上看到的洋流和熱帶風暴被科里奧效應扭曲成熟悉的漩渦狀一樣。在地心中，科里奧力（Coriolis forces）使上涌的流體偏轉，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地心能夠導電、有足夠的能量驅動對流、有科里奧力使對流的流體偏轉，這些是地球發電機能夠維持它本身數十億年的主要原因。但科學家需要更多證據來回答磁場的形成和為什麼隨著時間的推移會改變極性等令人迷惑的問題
根據衛星測量數據外推至地心-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。但是在少數特殊區域，確實出現了相反的情況。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，接著就會發生極性反轉。 |
超級計算機模擬
為了進一步研究反向通量帶是怎樣發展的，以及它們是如何導致下次極性反轉開始的，研究人員在超級計算機上和實驗室里模擬了地球發電機。計算機用于地球發電機模擬的新時代開始于1995年，有三個研究組獨立發展了能夠產生類似地球表面磁場的數值模擬方法，他們分別是︰日本東京大學的Akira Kageyama和他的合作者、美國加州大學洛杉磯分校的Paul h. Roberts和本文作者之一(Glatzmaier)和英國埃克塞特大學的Christopher A. Jones及其同事。其後，針對數十萬年的模擬已經證明對流確實可以在地心-地幔邊界上產生反向通量帶，模擬結果和在人造衛星圖像上發現的反向通量帶類似。這些反向通量帶往往在自然磁極反轉前出現，這在一些模擬中能夠再現。
計算機產生的極性反轉結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]。一個三維模擬結果可以解釋當偶極場的強度減弱的時候，反轉就開始了，得到這一結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。現在地心-地幔邊界上形成的幾個磁場通量反轉帶隨之出現了。但是原來的磁場不是完全消失，反轉通量帶是在轉換中形成了一個較弱的復雜混合極性磁場。
通過觀察地球模型，當反轉通量帶在地心-地幔邊界上和原來的極性相比開始佔據優勢的時候，極性反轉就發生了。總體上，貫穿地心的原來極性消失和新極性形成將持續大約9000年。
遺漏了什麼
部分由于這些成功，計算機發電機模型被迅速采用了。據上次的統計，世界範圍內有超過12個研究團隊正在使用這些模型來幫助研究太陽系以內及以外的天體內產生的磁場。但是這些模型和地球實際發電機的符合程度怎樣？事實是沒有人確切知道。
還沒有計算機發電機模型能夠模擬存在于行星內部的較寬頻譜的紊流，這主要是因為目前的大型並行超級計算機還不能勝任三維環境下采用現實物理參數來精確模擬磁場紊流的任務。在地心中扭曲磁場的最小紊流漩渦發生的尺度或許是數米到數十米，遠小于在目前的超級計算機上現有的全球地球發電機模型能夠處理的尺度。這意味著所有的地球發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值，這些流體核在現實世界中是如此之小，以至于很難用數值方法來解決。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。關鍵是二維流體不能維持發電機工作。這些模型還說明了目前地球發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識並和中間區域的主要對流相互作用。
流體模式的這種不同，對地球磁場的結構和發生各種變化的時間有很大的影響。這是為什麼研究人員堅持不懈地研發下一代三維模型的原因。也許十年後的某一天，計算機處理速度的進步將使模擬紊流發電機成為可能。在那以前，我們希望從現在進行的實驗室發電機實驗中獲取更多的了解。
實驗室發電機
增進對地球發電機了解的一個好方法把計算機發電機模型（缺乏紊流）和實驗室發電機模型（缺乏對流）作比較。科學家在1960年代首次展示了實驗室範圍發電機的可能性，但是離成功還有很長的路。實驗室裝置和實際行星的內核在大小方面的巨大不同是一個至關重要的因素。一個能夠自維持的流體發電機需要一個和維數無關的參數，稱之為磁雷諾數（magnetic Reynolds number），應超過一個最小值，大致為10。
地球地心的磁雷諾數很大，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生一個很大的磁雷諾數是極端困難的，除非高速移動這一流體。
幾個世紀以來，在實驗室流體發電機里產生連續磁場的夢想首先實現于2000年，當時歐洲的兩個研究團隊——一個由拉脫維亞大學的Agris Gailitis領導，另一個由德國卡爾斯魯厄研究中心的Robert Stieglitz和Ulrich M ller以及德國拜羅伊特大學的Fritz Busse組成——獨立地實現了在大量的液鈉里自己產生磁場。（采用液鈉是因為鈉具有高導電性和低熔點。）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。
這些實驗結果證實了理論，讓我們可以估計什麼時候應用發電機理論于地球和其他行星。目前世界範圍內的許多研究團隊正在緊張地發展下一代實驗室發電機。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3米。
除了正在進行的更真實的實驗室發電機和三維計算機模擬計劃以外，國際衛星CHAMP計劃（Challenging Minisatellite Payload，挑戰小衛星有效載荷的簡寫）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。研究人員預計該衛星在它的5年運行期內可以提供地磁場的連續圖像，允許其監測反向通量帶的連續增長，以及其他偶極場減弱的線索。
預計人造衛星觀測、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可以被綜合。通過對神奇的地球發電機更全面的描繪，人們將認識到我們目前關于地磁場和它的反轉的理論是否方向對頭。
[宋揚/譯 李子/校]
文章作者:Gary A. Glatzmaier 和 Peter Olson
責任編輯:skylook
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