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地磁場起源是地球物理學的基本問題之一。自1600年英國的吉伯(W.Gilbert)提出「地球是一個巨大的磁石」開始,有關地磁場起源的推測已有近400年的歷史,但至今仍未獲得圓滿解決。

  

1 地磁場起源 -簡史

地磁場的主要部分猶如一個近似沿自轉軸方向均勻磁化的球體的磁場。因此「永久磁石說」就成為地磁場成因最早和最自然的猜測。當地球物理學家提出地核可能是由鐵、鎳等強磁性物質組成的時候,這種猜測似乎得到了支持。然而地球內部的溫度遠超過鐵的居里點(見岩石磁性),所以這個假說不能成立。繼而有人曾企圖藉助於帶電地球的旋轉、迴轉磁效應、溫差電流以及感應電流等物理效應來解釋地磁場,但其量值都遠遠不夠大。例如根據迴轉磁效應,地球由於自轉獲得的磁化強度約為10-10電磁單位,比與地磁場相當的均勻磁化球體的磁化強度7.2×10-2約小 9個數量級。鑒於從已有的物理規律找不到答案,有人開始探索新的規律。1947年英國物理學家布萊克特(P.M.S.Blackett)發現,當時測定的太陽、室女星座78號星和地球 3個天體的磁矩M和角動量P滿足關係,其中G為萬有引力常數,c為光速,β為比例常數,約為0.25。布萊克特把這個關係設想為物理學的一個新定律,作為地磁場起源的解釋,稱為「巨大轉體說」。由於有 3個天體的支持,這個假說曾一度引起廣泛的關注。為證實這一結果,布萊克特專門設計了一種測弱磁場的高靈敏度儀器,但實驗結果是否定的,所以布萊克特本人聲明放棄他的假說。
  與上述各種推測同時出現的是「自激發電機說」。1919年拉莫爾(J.Larmor)首先提出了旋轉的導電流體維持自激發電機的可能性,這是關於地磁場起源的自激發電機說的最早概念。而較為系統的論述,則是40年代末和50年代初由埃爾薩塞 (W.M.Elsasser)、帕克(E.N.Parker)和布拉德(E.C.Bullard)等人完成的,稱為埃爾薩塞-帕克模型和布拉德過程。隨著大型計算機的應用,使更複雜的磁流體動力學的計算成為現實。60年代後期發現,布拉德過程是不穩定的。這使得曾被認為極有希望的「自激發電機說」陷入了危機。直到1970年,利利(F.E.M.Lilley)修正了布拉德過程的運動模式,才使得穩定的「自激發電機說」再度有了可能。60年代古地磁學的數據肯定了地磁場在漫長的地質時期經歷了多次倒轉的事實,地磁場極性的正向與反向的歷史並沒有顯示出哪種極性更具有特殊性。這是除「自激發電機說」以外,其他關於地磁成因的假說所難以解釋的。地球具有磁場在天體中並不特殊,太陽系九大行星中至少有木星、水星具有與地球磁場相類似的內源磁場。太陽和許多恆星也具有磁場。60~70年代帕克的研究說明,地磁場起源的模式可能對其他天體也適用。據此,人們現在認為「自激發電機說」是解釋地磁成因的最有希望的理論。
  

2 地磁場起源 -原理

地核內磁流體動力學的研究思路是導電流體和磁場的相互作用如何改變原始的磁場和運動狀態,這是「自激發電機說」的基礎。


導電流體和磁場的相互作用,在數學上也就是電磁場方程與流體運動方程的耦合。在磁場中運動的導電流體,根據法拉第電磁感應定律,將在隨流體運動的迴路里產生感應電動勢。若導體是電導率為無窮大的理想導體,感應電流將為無窮大,這顯然是不可能的。如果任意運動迴路中的磁通量不變,磁力線必然隨流體一起運動,猶如磁力線與流體牢固地粘在一起。這個現象稱為磁場的「凍結」效應,即磁場與流體完全凍結起來。這時磁場所滿足的方程稱為「凍結方程」。當流體的電導率為有限時,除不斷有焦耳熱損耗外,磁場還將不斷由強的區域向弱的區域擴散。因此在一般情況下,導電流體中的磁場既受凍結效應的控制,又將不斷擴散。這時滿足的方程稱為「擴散凍結方程」。凍結和擴散兩種效應,除與電導率(λ)有關外,還與流體的速度(v)和尺度 (L)有關。在電磁流體力學中,定義無量綱常數地磁場起源為磁粘滯係數。RM>>1時,流體中凍結效應將是主要的;RM<<1時,擴散現象將佔優勢。

由於磁場的存在,流體運動方程中除原有的作用力外,還將增加電磁力。運動和磁場方程相互耦合的媒介就是電磁力。

導電流體在磁場中運動,將產生感應電流,從而改變原有磁場。如果運動適當,有可能維持某種穩定的磁場。這個過程如同通常的發電機,導電流體相當於發電機的線圈,因此把維持磁場的這種假說稱為「發電機說」。當然除這種簡單的相似外,兩者的過程是完全不同的。在磁流體過程中,由於運動和磁場的耦合,電磁方程和流體運動方程都將成為非線性方程。至今求解這樣複雜的非線性方程組仍然是困難的。為此通常把運動和磁場的耦合作為微擾處理,分別求解運動方程和電磁方程。這時兩個方程仍為線性方程,相應於方程的「發電機」則稱為「線性發電機」。

若地核中產生的地磁場被激發后自由衰減,其衰減壽命約為104年。但古地磁學中已經測到的最老的磁性岩石年齡接近109年,這說明地磁場的壽命遠遠超出它的自由衰減壽命。為維持這樣長壽命的地磁場,必須不斷提供能量以補償焦耳熱損耗。地核中的能量來源,以及提供的能量維持怎樣的運動才能獲得長時間穩定的地磁場,是發電機說要回答的兩個基本問題。

地核的電導率是地球內部電導率最高的,約為 3×10-6電磁單位。地磁非偶極場成分的西向漂移表明,非偶極場源有相對於地幔的運動,其速度量級為20公里每年。這要比被地質現象所證實的固體地殼的運動高 5個量級,因此從焦耳熱損耗和運動量級考慮,液體地核是地磁發電機最有利的場所。

發電機的能量圖像  根據液核中磁流體動力學原理可知,發電機的能量轉換過程是運動能與磁能的轉換,其轉換媒介是電磁力。運動反抗這種電磁力做功將對系統提供能量,其中一部分用來補償焦耳熱損耗,剩餘的用來增加系統的磁場能量和向核外輸送電磁能從而改變核內與核外的磁場。這一過程可以用方程

地磁場起源

表示。方程式右端地磁場起源為電磁力,其中j為電流密度;地磁場起源(對整個液核積分)代表運動(V)反抗電磁力做功;WH為液核中的總磁能;Jσ為液核中的焦耳熱損耗率;FE為單位時間內通過液核表面向外輸送的電磁能。對於穩定發電機,核內和核外磁場不隨時間變化,方程變為:

Jσ=AH,

即運動反抗電磁力做功所提供的能量全部用來補償焦耳熱損耗。

運動能量提供的方式與作用力有關。產生運動的力除電磁力外,主要是重力與流體靜壓力,液核內力學能量的轉換方程為:

地磁場起源,

其中地磁場起源為液核總動能的減少率;FP為流體靜壓力通過液核表面向核內的能量輸送率,重力做功在核內和表面上都將產生位能的釋放;FG是在液核表面上由於質量交換所產生的位能釋放率,例如地幔物質由於重力分異落入地核產生的能量交換即屬此類;Gτ是由於沿著介質運動方向密度不均勻性產生的位能釋放,熱對流即屬此類。發電機過程中流體運動反抗電磁力做功,或者以系統的動能減少為代價,或者由重力位能的釋放和表面流體靜壓力做功來提供,當然也可以是幾種因素的綜合效果。當系統穩定時,

FP+FG+Gτ=AH=Jσ,

這時重力位能的釋放與流體靜力做功全部用來補償焦耳熱損耗。非穩定狀態下的能量轉換方程則是:

地磁場起源,

由地核內磁場的總能量(WH)和磁場的自由衰減時間,可以估計液核中焦耳熱損耗 (Jσ)約為1017爾格/秒。很顯然,這個量級應是維持發電機所必需的最低限度的能量提供率。
  

3 地磁場起源 -能量來源

早期埃爾薩塞和布拉德都假定,長壽命放射性元素所維持的熱對流是發電機能量的提供者。由Gτ可以估計,要提供1017爾格/秒的能量,則地核中單位質量的生熱率需高達 100爾格/(克·秒)。而由地面總熱流計算地殼中放射性元素的生熱率僅有10-3~10-1爾格/(克·秒),兩者相差幾個量級,顯然是不合理的。有人主張內核是由液態核凝固而成,這個過程至今還在繼續,它所放出的潛熱將維持熱核的熱對流,這同樣會遇到量級上的困難。1968年馬爾庫斯(W.V.R.Malkus)由實驗證實,在地球的進動過程中由於地幔與地核動力扁度的差異(見地球自轉),兩者將有不同的進動角速度,前者快於後者。由於地球是一個扁球體,地幔將迫使地核有相同運動的趨勢,這時地幔通過FP對地核提供能量,可以維持地磁發電機。近年也有人對此提出異議,認為其量級遠遠不夠。還有人主張若地球深部的化學分異和重力分異仍在進行,則重力位能的釋放(Gτ,FG)將提供能量。可見,地核中的各種可能的能量來源,無不涉及地球演化與地球內部的物理狀態等地球物理基本問題,在目前要得到滿意的解答是困難的。
  

4 地磁場起源 -維持地磁場的物理模式

不管地核內的動力來源如何,只要液核內存在徑向運動,由於處於深層的物質具有較小的角動量,內外層物質交換的結果,角動量守恆將使得外層轉動角速度變慢而內層變快。從與地球一起轉動的坐標系看,徑向運動受到科里奧利力的作用。這個力矩在自轉軸方向的分量是使內層和外層轉動速度發生變化的動力。為考察沿徑向的角速度差異的磁流體力學效應,將連續分佈的角速度差異簡化為具有不同角速度的A和B兩層,外層A角速度為ωA,內層B角速度為ωB。設ωB>ωA,這稱為剛體液核模型。設液核中有原始的微弱磁場。考慮到星際磁場瀰漫於整個星際空間,這種原始磁場的存在是有可能的。由於磁場的凍結效應,磁力線將隨地核一起運動。如圖1所示,原始磁場的磁力線將由於A、B兩層的差速轉動而被拉伸,形成沿繞緯圈方向的磁場。圖1a為相對運動從開始經過半周地磁場起源到一周地磁場起源時磁力線被拉伸的過程。自然,隨著磁力線的伸長,磁力線反抗這種拉伸的張力也不斷增加。這種過程一再反覆,直到磁力線張力所產生的恢復力矩與由於對流所產生的機械力矩(科里奧利力)相對平衡時,磁場成為如圖1b所示的形態,相對角速度也將維持一個穩定的常數。液核內形成如圖1b所示的磁場沒有徑向分量,磁力線完全位於同一個球面上,這種場稱為環型場。圖1b所示的環型場在南北半球方向相反。由上述兩個力矩的平衡可估計這種環型場的量級。考慮到磁場的凍結效應,傳統看法都認為核內將有很強的環型場,布拉德計算得到的環型場可高達500高斯。最近也有人對這種高強度的環型場的存在提出異議。由於環型場沒有徑向分量,不管它強度多大,對於我們感興趣的徑向分量很強的核外偶極場都不會有所貢獻。上述過程對外沒有電磁能的輸送。以上僅考慮了與徑向運動相應的差速轉動所產生的磁效應,而沒有考慮徑向運動本身的磁效應。與差速轉動相似,由於凍結效應,徑向運動與環型場相互作用又將環型場拖起或拉彎,形成如圖2所示的磁力線環。上述科里奧利力V=2r×(V×w),除有沿地球轉軸方向的力矩外(使得液核角速度改變),還將有同轉軸方向垂直的分量,這個力矩將把磁力線環從緯度方向(圖1)扭轉到子午面內。對向上、向下的運動,所受力矩方向相反;同樣在南半球與北半球,這個力矩方向也相反。因此儘管對應於上、下運動的磁力線環方向相反,南北半球的線環方向也不同,但在這一力矩的作用下,子午面內的磁環將是同序的逆時針方向(圖3)。與環型場不同,被扭曲的磁場已經有了與初始微弱磁場同向的分量,這樣的元過程遍布液核各處,統計結果,有可能加強原始微弱磁場。上述過程稱為埃爾薩塞-帕克模型。除這個模型外,還有著名的布拉德-格爾曼-利利過程,它與埃爾薩塞模型有相似的物理圖像。無論是埃爾薩塞或布拉德模型都可通過求解線性磁流體力學方程,從數學理論上證明穩定發電機的存在。由此可知,即使是大大地簡化了的物理圖像,也涉及到地核中很複雜的過程。一般發電機過程將涉及地核中更為複雜的湍流運動,因此有人稱它為「湍流發電機」。

  

  地磁場的倒轉屬於非穩態發電機的內容,至今還沒有如上述穩態發電機那樣全過程的描述。若液核中的對流渦旋運動受到擾動將有可能使磁場極性反轉。例如帕克曾證明,若液核中南北緯度25°之間的渦旋運動普遍消失,則地磁場將倒轉。也有人主張地磁場倒轉是非線性發電機過程的固有性質,即磁場和運動相互耦合,到一定程度線性發電機不再維持,非線性作用將有可能使地磁場倒轉。
  無論穩態和非穩態發電機過程學說,目前都很不完善。關於地磁場起源問題仍處於研究階段。
  參考書目
 力武常次:《地球の電磁気學》,岩波書店,東京,1972。
 D.Gubbins,Energetics of the Earth's Core, J.Geophys.,Vol.43,P.453,1977.
 E.H.Levy,Dynamo Magnetic Field Generation, Rev.Geophys.Space phys.,Vol.17,No.2,p.277,1979.

5 地磁場起源 -地磁場及其起源

  在日常生活中所做的一些活動和一些看到的事都與地磁場息息相關。比如說指南針的運用,候鳥遷徙運用地磁場進行導向等等諸如此類的情況都是地磁場反因在表面的外部表現。在人類對此種現象有了更深入的了解以後就開始利用已有的知識用於有關方面的運用和研究。最早的時候對於地磁場的研究還主要是以觀測以有現象為主,以正得其某種特性和規律。一直到了1839年高斯開始把球諧分析發首次用於地磁學,建立了地磁場的數學描述,首次成功的區分了內外圓場。從此以後地磁學從過去單一的觀測學科逐步變為一研究為主,並以研究指導觀測的學科。經過後人的研究地磁場基本上是由主磁場,變化磁場和地殼磁場三部分組成,其中主磁場占整個地磁場的百分之九十多。同時隨著地磁場的長期變化,磁層大小與結構也會發生相因變化,從而引起進地環境的變化。  
  地質歷史時期地磁場強度變化特徵可為建立地球動力學模型提供重要的約束條件。然而,由於地磁場古強度測定所涉及的理論和實驗比古方向測量要複雜得多,目前古強度數據仍十分匱乏,遠遠滯後於古方向研究,使得人們難以全面認識地質歷史時期地磁場的變化規律,進而嚴重阻礙了利用地磁場變化探索地球內部發生的物理過程。幾年來,從解決實驗設備、技術和方法入手,開拓古強度理論與方法研究。針對樣品加熱過程中易氧化的難題,設計了在真空或氬氣環境下熱處理樣品的設備,建立了遴選合適樣品的岩石磁學新標準,顯著提高了獲取可靠古強度數據的成功率。以中生代火山岩為研究對象,應用多方法互檢確定了白堊紀超靜磁帶初始期地球磁場強度僅為現今值的一半,論證白堊紀超靜磁帶發生之前存在地磁極性倒轉頻率與古強度變化呈負相關性。地磁場與地球內部動力學過程的這一相關性可能是由於俯衝到660公裡間斷面的冷物質聚積增加至臨界值,導致原來的上下地幔分層對流狀態被破壞,使得聚積的冷物質被帶到核幔界面,改變了那裡的物理化學邊界條件和外核流體狀態,從而導致了地磁場強度的逐漸增加和地磁極性倒轉頻率的逐漸降低以及白堊紀超靜磁帶的發生。
      由此可見繼續深入的研究地磁場的特性機器變化規律對人類社會有著極其深遠的特殊意義,對新的結構性技術的開發和運用有著極大的借鑒意義。因此,對其進行深入的探討的意義非比尋常。
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