大多數(shù)人認(rèn)為，指北針當(dāng)然指向北方。數(shù)千年以來(lái)，水手依靠地球磁場(chǎng)來(lái)導(dǎo)航；而鳥(niǎo)類(lèi)和其他對(duì)磁場(chǎng)敏感的動(dòng)物已經(jīng)應(yīng)用這個(gè)方法有更長(zhǎng)一段時(shí)間了。說(shuō)來(lái)奇怪，地球的磁極并不是一直都指向現(xiàn)在的方向。
礦物可以記錄過(guò)去地球磁場(chǎng)的方向，人們利用這一點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)在地球45億年的歷史中，地磁的方向已經(jīng)在南北方向上反復(fù)反轉(zhuǎn)了好幾百次。不過(guò)，在最近的78萬(wàn)年內(nèi)都沒(méi)有發(fā)生過(guò)反轉(zhuǎn)??這比地磁反轉(zhuǎn)的平均間隔時(shí)間25萬(wàn)年要長(zhǎng)了許多。更有甚者，地球的主要地磁場(chǎng)自從1830年首次測(cè)量至今，已經(jīng)減弱了近10%。這比在失去能量來(lái)源的情況下磁場(chǎng)自然消退的速度大約快了20倍！下一次地磁反轉(zhuǎn)即將來(lái)臨嗎？
地球物理學(xué)家很早就知道，地球磁場(chǎng)變化的原因來(lái)源于地球中心的深處。地球像太陽(yáng)系里的其他某些天體一樣，是通過(guò)一個(gè)內(nèi)部的發(fā)電機(jī)來(lái)產(chǎn)生自己的磁場(chǎng)。從原理上，地球“發(fā)電機(jī)”和普通發(fā)電機(jī)一樣工作，即由其運(yùn)動(dòng)部份的動(dòng)能產(chǎn)生電流和磁場(chǎng)。發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)部份是旋轉(zhuǎn)的線圈；行星或恒星內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部分則發(fā)生在可導(dǎo)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(gòu)成了所謂的地球發(fā)電機(jī)(geodynamo)。
直到最近，科學(xué)家還主要依靠簡(jiǎn)化的理論來(lái)解釋地球發(fā)電機(jī)和它的磁性秘密。然而在過(guò)去10年中，研究人員已經(jīng)發(fā)展了新的方法來(lái)研究地球發(fā)電機(jī)的詳細(xì)工作機(jī)制：人造衛(wèi)星可以提供地球表面地磁場(chǎng)的清晰圖像；同時(shí)，人們正在超級(jí)計(jì)算機(jī)上模擬地球發(fā)電機(jī)和在實(shí)驗(yàn)室里建立物理模型來(lái)解釋這些軌道觀測(cè)結(jié)果。這些工作對(duì)于過(guò)去磁極反轉(zhuǎn)如何發(fā)生提出了一種很吸引人的解釋?zhuān)?duì)下一次反轉(zhuǎn)可能如何開(kāi)始提供了線索。
驅(qū)動(dòng)地球發(fā)電機(jī)
我們探究磁場(chǎng)如何反轉(zhuǎn)之前，需要了解是什么驅(qū)動(dòng)著地球發(fā)電機(jī)。在1940年代，物理學(xué)家就公認(rèn)：三個(gè)基本條件對(duì)產(chǎn)生任何的行星磁場(chǎng)是必需的，并且自那以后的其他發(fā)現(xiàn)都是建立在這一共識(shí)之上。第一個(gè)條件是：要有大量的導(dǎo)電流體──地球地心的外核是富含鐵的流體。這個(gè)臨界層包裹著一個(gè)幾乎純鐵的固態(tài)地心內(nèi)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(lái)的極大負(fù)荷，造成了地核內(nèi)的平均壓力是地表壓力的200萬(wàn)倍。此外，地心的溫度也同樣極端──大約為攝氏5000度，和太陽(yáng)表面的溫度相近。
這些極端的環(huán)境條件，構(gòu)成了行星發(fā)電機(jī)的第二要件：驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)的能量來(lái)源。驅(qū)動(dòng)地球發(fā)電機(jī)的能量，部份是熱能，部份是化學(xué)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(shí)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(dāng)這些流體到達(dá)地心頂部時(shí)，會(huì)由于碰到上覆的地幔而喪失部份熱量。于是液態(tài)鐵會(huì)冷卻、密度變得比周?chē)慕橘|(zhì)高，從而下沉。這個(gè)通過(guò)流體的上升和下降來(lái)自下而上傳遞熱量的過(guò)程稱(chēng)為熱對(duì)流。
現(xiàn)任職于美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的StanislavBraginsky在1960年代指出過(guò)，熱量從地心上部的外核逸出也會(huì)導(dǎo)致地心固態(tài)內(nèi)核體積的膨脹，產(chǎn)生兩種另外的浮力來(lái)源來(lái)驅(qū)動(dòng)對(duì)流。當(dāng)液體的鐵在固態(tài)內(nèi)核的外部凝固成晶體時(shí)，潛在的熱量??結(jié)晶熱會(huì)作為副產(chǎn)品被釋放出來(lái)。這些熱量有助于增強(qiáng)熱浮力。此外，密度較低的化合物(如硫化鐵和氧化鐵)被內(nèi)核的結(jié)晶體排出并穿過(guò)外核上升，也會(huì)加強(qiáng)對(duì)流。
行星要產(chǎn)生自維持的磁場(chǎng)，還需要第三個(gè)條件：旋轉(zhuǎn)。地球的自轉(zhuǎn)通過(guò)科里奧效應(yīng)(Corioliseffect)使地心內(nèi)上升的流體偏轉(zhuǎn)，就像我們?cè)跉庀笮l(wèi)星影像上看到的洋流和熱帶風(fēng)暴被科里奧效應(yīng)扭曲成熟悉的漩渦狀一樣。在地心中，科里奧力(Coriolisforces)使上涌的流體偏轉(zhuǎn)，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(yùn)動(dòng)。
地球有著一個(gè)富含鐵的液態(tài)地心能夠?qū)щ�、有足夠的能量�?qū)動(dòng)對(duì)流、有科里奧力使對(duì)流的流體偏轉(zhuǎn)，這些是地球發(fā)電機(jī)能夠維持它本身數(shù)十億年的主要原因。但科學(xué)家需要更多證據(jù)來(lái)回答磁場(chǎng)的形成和為什么隨著時(shí)間的推移會(huì)改變極性等令人迷惑的問(wèn)題。
根據(jù)衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)外推至地心-地幔邊界的地球磁場(chǎng)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(jìn)入地心。但是在少數(shù)特殊區(qū)域，確實(shí)出現(xiàn)了相反的情況。這些反向通量帶在1980年和2000年之間增長(zhǎng)和擴(kuò)張；如果它們覆蓋了兩極，接著就會(huì)發(fā)生極性反轉(zhuǎn)。
超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬
為了進(jìn)一步研究反向通量帶是怎樣發(fā)展的，以及它們是如何導(dǎo)致下次極性反轉(zhuǎn)開(kāi)始的，研究人員在超級(jí)計(jì)算機(jī)上和實(shí)驗(yàn)室里模擬了地球發(fā)電機(jī)。計(jì)算機(jī)用于地球發(fā)電機(jī)模擬的新時(shí)代開(kāi)始于1995年，有三個(gè)研究組獨(dú)立發(fā)展了能夠產(chǎn)生類(lèi)似地球表面磁場(chǎng)的數(shù)值模擬方法，他們分別是：日本東京大學(xué)的AkiraKageyama和他的合作者、美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的Paulh.Roberts和本文作者之一(Glatzmaier)和英國(guó)埃克塞特大學(xué)的ChristopherA.Jones及其同事。其后，針對(duì)數(shù)十萬(wàn)年的模擬已經(jīng)證明對(duì)流確實(shí)可以在地心-地幔邊界上產(chǎn)生反向通量帶，模擬結(jié)果和在人造衛(wèi)星圖像上發(fā)現(xiàn)的反向通量帶類(lèi)似。這些反向通量帶往往在自然磁極反轉(zhuǎn)前出現(xiàn)，這在一些模擬中能夠再現(xiàn)。
計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的極性反轉(zhuǎn)結(jié)果給研究者提供了這種變化可能如何開(kāi)始和進(jìn)行的基本輪廓[參見(jiàn)下頁(yè)圖文]。一個(gè)三維模擬結(jié)果可以解釋當(dāng)偶極場(chǎng)的強(qiáng)度減弱的時(shí)候，反轉(zhuǎn)就開(kāi)始了，得到這一結(jié)果要在一年多的時(shí)間里每天運(yùn)行12小時(shí)模擬程序來(lái)模擬自然界的30萬(wàn)年時(shí)間�，F(xiàn)在地心-地幔邊界上形成的幾個(gè)磁場(chǎng)通量反轉(zhuǎn)帶隨之出現(xiàn)了。但是原來(lái)的磁場(chǎng)不是完全消失，反轉(zhuǎn)通量帶是在轉(zhuǎn)換中形成了一個(gè)較弱的復(fù)雜混合極性磁場(chǎng)。
通過(guò)觀察地球模型，當(dāng)反轉(zhuǎn)通量帶在地心-地幔邊界上和原來(lái)的極性相比開(kāi)始占據(jù)優(yōu)勢(shì)的時(shí)候，極性反轉(zhuǎn)就發(fā)生了�？傮w上，貫穿地心的原來(lái)極性消失和新極性形成將持續(xù)大約9000年。
遺漏了什么
部分由于這些成功，計(jì)算機(jī)發(fā)電機(jī)模型被迅速采用了。據(jù)上次的統(tǒng)計(jì)，世界范圍內(nèi)有超過(guò)12個(gè)研究團(tuán)隊(duì)正在使用這些模型來(lái)幫助研究太陽(yáng)系以內(nèi)及以外的天體內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。但是這些模型和地球?qū)嶋H發(fā)電機(jī)的符合程度怎樣？事實(shí)是沒(méi)有人確切知道。
還沒(méi)有計(jì)算機(jī)發(fā)電機(jī)模型能夠模擬存在于行星內(nèi)部的較寬頻譜的紊流，這主要是因?yàn)槟壳暗拇笮筒⑿谐?jí)計(jì)算機(jī)還不能勝任三維環(huán)境下采用現(xiàn)實(shí)物理參數(shù)來(lái)精確模擬磁場(chǎng)紊流的任務(wù)。在地心中扭曲磁場(chǎng)的最小紊流漩渦發(fā)生的尺度或許是數(shù)米到數(shù)十米，遠(yuǎn)小于在目前的超級(jí)計(jì)算機(jī)上現(xiàn)有的全球地球發(fā)電機(jī)模型能夠處理的尺度。這意味著所有的地球發(fā)電機(jī)三維計(jì)算機(jī)模型迄今為止只能模擬簡(jiǎn)化的、大尺度的層狀對(duì)流流體，類(lèi)似于灼熱的礦物油在油燈內(nèi)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(duì)流體核的某些屬性使用了不切實(shí)際的大數(shù)值，這些流體核在現(xiàn)實(shí)世界中是如此之小，以至于很難用數(shù)值方法來(lái)解決。為了在計(jì)算機(jī)模型里模擬真正的紊流，研究人員必須借助于二維視圖。關(guān)鍵是二維流體不能維持發(fā)電機(jī)工作。這些模型還說(shuō)明了目前地球發(fā)電機(jī)模擬出的層流和地心中存在的紊流相比還是過(guò)于平穩(wěn)和簡(jiǎn)單。
可能最顯著的不同是流體穿過(guò)地心時(shí)的上升路線。在簡(jiǎn)化的層對(duì)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(duì)流可以由多個(gè)小流體柱和靠近地心上下邊界的漩渦標(biāo)識(shí)并和中間區(qū)域的主要對(duì)流相互作用。
流體模式的這種不同，對(duì)地球磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和發(fā)生各種變化的時(shí)間有很大的影響。這是為什么研究人員堅(jiān)持不懈地研發(fā)下一代三維模型的原因。也許十年后的某一天，計(jì)算機(jī)處理速度的進(jìn)步將使模擬紊流發(fā)電機(jī)成為可能。在那以前，我們希望從現(xiàn)在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)中獲取更多的了解。
實(shí)驗(yàn)室發(fā)電機(jī)
增進(jìn)對(duì)地球發(fā)電機(jī)了解的一個(gè)好方法把計(jì)算機(jī)發(fā)電機(jī)模型(缺乏紊流)和實(shí)驗(yàn)室發(fā)電機(jī)模型(缺乏對(duì)流)作比較�？茖W(xué)家在1960年代首次展示了實(shí)驗(yàn)室范圍發(fā)電機(jī)的可能性，但是離成功還有很長(zhǎng)的路。實(shí)驗(yàn)室裝置和實(shí)際行星的內(nèi)核在大小方面的巨大不同是一個(gè)至關(guān)重要的因素。一個(gè)能夠自維持的流體發(fā)電機(jī)需要一個(gè)和維數(shù)無(wú)關(guān)的參數(shù)，稱(chēng)之為磁雷諾數(shù)(magneticReynoldsnumber)，應(yīng)超過(guò)一個(gè)最小值，大致為10。
地球地心的磁雷諾數(shù)很大，可能大約為1000，這主要是因?yàn)榈厍虻木�尺寸很大(地心的半徑大約是3485千米)。簡(jiǎn)單外推就是，用體積很小的流體產(chǎn)生一個(gè)很大的磁雷諾數(shù)是極端困難的，除非高速移動(dòng)這一流體。
幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，在實(shí)驗(yàn)室流體發(fā)電機(jī)里產(chǎn)生連續(xù)磁場(chǎng)的夢(mèng)想首先實(shí)現(xiàn)于2000年，當(dāng)時(shí)歐洲的兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)??一個(gè)由拉脫維亞大學(xué)的AgrisGailitis領(lǐng)導(dǎo)，另一個(gè)由德國(guó)卡爾斯魯厄研究中心的RobertStieglitz和UlrichMüller以及德國(guó)拜羅伊特大學(xué)的FritzBusse組成??獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)了在大量的液鈉里自己產(chǎn)生磁場(chǎng)。(采用液鈉是因?yàn)殁c具有高導(dǎo)電性和低熔點(diǎn)。)兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)都找到了在1-2米長(zhǎng)的螺旋型管道系統(tǒng)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(shù)。
這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了理論，讓我們可以估計(jì)什么時(shí)候應(yīng)用發(fā)電機(jī)理論于地球和其他行星。目前世界范圍內(nèi)的許多研究團(tuán)隊(duì)正在緊張地發(fā)展下一代實(shí)驗(yàn)室發(fā)電機(jī)。為了更好地模擬地球的幾何形狀，這些實(shí)驗(yàn)將在大型球狀容器中攪動(dòng)液鈉，直徑最大的達(dá)3米。
除了正在進(jìn)行的更真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室發(fā)電機(jī)和三維計(jì)算機(jī)模擬計(jì)劃以外，國(guó)際衛(wèi)星CHAMP計(jì)劃(ChallengingMinisatellitePayload，挑戰(zhàn)小衛(wèi)星有效載荷的簡(jiǎn)寫(xiě))正在制定高精度的地磁場(chǎng)測(cè)量計(jì)劃，精度足以實(shí)時(shí)直接測(cè)量地磁場(chǎng)在地心-地幔邊界的變化。研究人員預(yù)計(jì)該衛(wèi)星在它的5年運(yùn)行期內(nèi)可以提供地磁場(chǎng)的連續(xù)圖像，允許其監(jiān)測(cè)反向通量帶的連續(xù)增長(zhǎng)，以及其他偶極場(chǎng)減弱的線索。
預(yù)計(jì)人造衛(wèi)星觀測(cè)、計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)這三種方法在下一個(gè)或兩個(gè)十年內(nèi)可以被綜合。通過(guò)對(duì)神奇的地球發(fā)電機(jī)更全面的描繪，人們將認(rèn)識(shí)到我們目前關(guān)于地磁場(chǎng)和它的反轉(zhuǎn)的理論是否方向?qū)︻^。
稿源：環(huán)球科學(xué)
本文來(lái)自：逍遙右腦記憶 http://m.yy-art.cn/chuzhong/923234.html
相關(guān)閱讀：強(qiáng)化構(gòu)建初中地理高效課堂