地球磁場為什麼能穩定存在?

　　地球內部，有一個發電機，在維持地磁場長期運轉。並且，其中的物質交換和熱量交換，讓它可以十分持久。

　　保護地球生命的磁場屏障。|carnegiescience.edu

　　作者| 陳天真

　　我們的地球之所以能成為生機勃勃的存在，一個很大的原因在於它有一個可以屏蔽太陽風和宇宙射線中危險帶電粒子的磁場。

　　說到地球磁場，大多數人頭腦中大概會想像出一塊巨大的磁鐵，它的北極大致指向地球的地理南極，南極大致指向地理北極。實際上，這與歷史上人們對於地球磁場的想像頗為相似——地球就像是一塊巨大的磁石，它的磁場穩定，並長期存在。

　　地球磁場示意圖。|Peter Reid / NASA

　　但事實真的是這樣嗎？地球到底是如何產生磁場的？它又為何可以如此持久？實際情形比想像的要複雜得多。

　　01.

　　地球如何產生磁場？

　　我們知道，磁來自於電，變化的電場可以激發磁場，變化的磁場又可以反過來激發電場，如此往復不絕。20世紀的時候，人們已經用優美的麥克斯韋方程，將電、磁、光三種現象統一了起來，許多科學家因此恍惚感覺，物理學的大廈已經落成，萬事萬物皆在掌握之中。

　　然而，對於地球如何產生磁場這件事情，科學家們卻仍然莫衷一是。

　　許多人都提出了可能的解釋。例如，愛因斯坦認為，這或許是因為在地球內部，電子攜帶的負電荷與質子攜帶的正電荷總數不相等，從而導致整個地球具有磁場。諾貝爾物理學獎得主Patrick Blackett試圖通過實驗來尋找地球自轉角動量和磁矩的關係，結果始終一無所獲。愛爾蘭物理學家和數學家拉莫(Joseph Larmor)則猜測，或許有一個發電機產生了地球的磁場……

　　咦，地球內部有一個發電機？這個想法聽起來似乎有些天馬行空，但事實上，目前被普遍接受的地球磁場理論——「地球發電機」理論正是萌芽於此。

　　02.

　　神奇的「地球發電機」

　　要了解地球為什麼能產生磁場，首先需要了解地球的結構。這是地磁場存在的物質基礎。可以猜測，它和一些磁性物質有關。比如鐵。實際上也的確如此。

　　正如遙遠恆星坍縮產生的各種元素形成了宇宙中新的恆星和行星，地球也是由最初瀰漫在太陽系中的氣體和塵埃吸積而成的。在地球形成過程中，密度較大的鐵元素向著核心沉積，與周圍的矽酸鹽分離，最終，不同密度的物質不斷分層，形成了如今的地核、地幔和地殼。

　　雖然我們無法進入到地球深處，但橫穿過地球的地震波卻可以幫助我們了解地球的內部結構。由於地球內部各種物質的密度和物理特性不同，地震波這種最為強大的聲波會受到不同程度的散射，導致地球另一端接收到回波的時間有所差異。我們據此就可以知道，這些物質是固態還是液態，密度是多少，等等。

　　科學家很早就破解了地震波的密碼，他們發現，地核實際上分成兩層，雖然這兩層的主要物質組成都是鐵，但外核是熔融的液態鐵，內核則因為受到更大壓力而呈現為固態。這個堅固的內核大小相當於月球的70%(半徑)，溫度則接近熾熱的太陽表面。

　　地球內部結構。它有著固態鐵內核(半徑約佔20%)和液態鐵外核(半徑約佔55%)。

　　|shutterstock/JohanSwanepoel

　　就像埋藏於地球深處的化石記錄了生命的演化歷史一樣，古老的巖石也記錄著地球磁場的演化歷史。在巖石最初形成並冷卻的過程中，巖石顆粒中的電子會受到周圍磁場的影響，朝向磁場的方向偏移，從而記錄下當時地球磁場的強度和方向。

　　通過研究巖石中物質的磁性，物理學家Walter Elsasser逐漸揭示了地球磁場的演化歷史，並在上世紀40年代提出了更為完善的地球發電機理論。這個理論認為，是地球外核中處於熔融狀態的金屬鐵的對流持續地產生著磁場。

　　03.

　　源源不斷的動力

　　古地磁記錄表明，地球磁場已經存在了至少30億年。然而我們知道，如果地球的磁場是像永久磁鐵那樣，那麼它應當在大約2萬年內衰減殆盡，因為地核的溫度太高，熱運動會讓鐵原子(類似一個個小磁針)的指向雜亂無章，無法維持永久磁性。

　　另一方面，古地磁記錄也顯示，地球磁場的兩極在過去曾多次反轉，兩次反轉之間的時間間隔平均而言大約是20萬年，一次反轉事件——從磁場變弱，到消失，再到產生反向磁場——只需要幾千年就可以完成。

　　地球磁場的這些性質都表明，在地球內部存在著一種特殊的機制，可以持續地產生磁場。科學家們據此推測，這種機制就是在地球的流體外核中持續運轉的對流發電機。

　　地球發電機理論認為，隨著地球逐漸冷卻，外核中熔融的液態鐵會在內核邊界處緩慢結晶，釋放出熱量和溶解於其中的輕元素。這些釋放的熱量和輕元素的浮力作用為外核中液態鐵的對流提供了源源不斷的驅動力。

　　與此同時，地球自轉產生的科裡奧利力*會將流體扭曲成螺旋狀，沿著地球自轉軸的方向排列。這樣，原來的磁場在液態鐵中激發出渦電流，結果就像高中課本上的螺旋線圈一樣，這些帶電的流體又不斷產生新的磁場，來彌補逐漸衰減的磁場。

　　*科裡奧利力：在慣性系中，物體原本因為慣性沿著直線運動，但由於地球的自轉，在其上的觀察者看來，物體的運動軌跡會發生偏離，好像受到了一個力的作用，這個假想的力就是科裡奧利力。科裡奧利力是一種複合離心力，它讓物體仿佛發生切向的和徑向的偏離。

　　地球發電機產生地球的磁場。地球外核中的液態鐵被扭曲成螺旋狀。| Wikipedia

　　然而，這種假想的機制真的可以描述真實的地球磁場嗎？科學家們一直希望能夠通過理論計算構建模型，模擬真實的地球磁場。

　　04.

　　實驗模擬地球磁場

　　從上面的描述中我們知道，地球核心的熱量和物質流動驅動了外核中液態鐵的對流，在地球自轉的作用下，渦電流持續地產生磁場。這個過程涉及到熱量的傳輸、流體的運動、電磁場的變化，是一個複雜的磁流體問題，因此地球發電機理論需要使用相應的磁流體力學方程來描述這整個過程。

　　由於問題的複雜性以及計算機能力的限制，直到1995年，人們才得到了第一個自洽的數值計算模型——Glatzmaier-Roberts模型。令人欣喜的是，這個模型成功地產生了地球磁場的一些特徵。

　　計算結果顯示，模擬磁場與地球磁場的強度非常接近，並且具有相似的偶極結構——磁感線從一極發出，擴散到空間中，最終又回歸另一極。此外，在模擬的36000年時間裡，磁極確實發生了反轉，這次反轉大約用了1000年時間，在反轉過程中，磁場強度急劇減小，並在反轉之後立即恢復，與地磁記錄的反轉過程頗為相似。

　　數值模擬生成的磁場與地球磁場具有相似的偶極結構(一邊為N極，一邊為S極)。| Gary Glatzmaier

　　更有意思的是，模擬過程提供了地磁記錄也無法保留的細節。在模擬磁極反轉的整個過程中，外核中的流體實際上會不斷地試圖反轉磁場，但由於內核的磁場是在更加漫長的時間尺度上緩慢衰減，所以這種反轉的嘗試大多被阻止。只有在非常少的情況下，才會出現一次成功的磁極反轉。這或許解釋了為何地球磁極在兩次反轉之間的時間間隔如此之長，並且出現時間是隨機的。

　　模擬中出現的磁極反轉過程。從左到右三張圖分別對應，反轉前500年，反轉過程中，反轉後500年。| Gary Glatzmaier

　　05.

　　更真實的地球磁場產生機制

　　相比於真實的地球磁場產生機制而言，這只是一個非常簡化的模型。例如，除了外核中液態鐵的結晶，驅動對流的熱量還可能來源於地球最初形成時蘊藏在內部的熱量，密度較大的物質向核心沉澱時摩擦產生的熱量，以及放射性元素衰變產生的熱量。

　　另一方面，越來越多的地震波數據和模擬地球深處高溫高壓環境的實驗都表明，地球的核心並非由純鐵構成，而很有可能摻雜了矽、氧、硫、碳等各種輕元素。這些元素的存在可能影響了地球內部的熱量和物質流動，從而進一步影響地球磁場的產生機制和演化歷史。

　　就在今年(2020年)7月，發表於《自然通訊》上的一項研究就探索了矽元素的存在會如何影響從地核到地幔的熱量傳輸。研究發現，在接近地球外核的溫度和壓力條件下，當鐵中溶解的矽的質量達到8%時，矽鐵合金的導熱率會下降到只有純鐵的一半。

　　我們已經知道，地球發電機要良好運轉就需要一定的熱量來提供驅動力，而地核物質的導熱率對這個熱量流動的過程會產生重要影響：如果地核導熱率很高，從地核向地幔傳遞的熱流就比較多，這時就需要額外的物質對流來維持發電機的運轉；反之，如果地核導熱率足夠低，從地核向外傳遞的熱流就比較少，單純的熱對流就足以維持發電機的運轉。

　　由於鐵中摻雜其他輕元素很可能具有與矽鐵合金相似的效果，由此推想，如果地核中確實摻雜有輕元素，那麼地球發電機或許可以在熱對流這唯一一個驅動力的作用下運轉，而無需額外的物質對流。另一方面，地球的內核因為只需要提供更少的熱量，它的年齡可能比預期的更古老。

　　我們的藍色星球。其內核可能比預期的更古老。|NASA

　　地震波橫穿地球帶來的信息，古老巖石記錄的地球歷史，地球科學家在實驗室和計算機中模擬自然的工作，都讓我們更多地了解到地球如何持續地產生磁場。然而，我們也看到，即便對於如此基本的問題，我們仍然所知甚少。

　　我們曾經幻想登上月球，探索火星，這些如今都已實現，但是我們從未到達過地心。事實上直到今天，要探索地球的核心仍然是非常困難的，某種程度上而言，地球的核心甚至比冥王星的表面更加難以企及。

　　參考資料：

　　[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

 

 

編輯： 張麗芸