梦幻星空宇宙：地球磁场即将反转？

    大多数人认为，指北针当然指向北方。数千年以来，水手依靠地球磁场来导航；而鸟类和其他对磁场敏感的动物已经应用这个方法有更长一段时间了。说来奇怪，地球的磁极并不是一直都指向现在的方向。
    
    矿物可以记录过去地球磁场的方向，人们利用这一点，发现在地球45亿年的历史中，地磁的方向已经在南北方向上反复反转了好几百次。不过，在最近的78万年内都没有发生过反转——这比地磁反转的平均间隔时间25万年要长了许多。更有甚者，地球的主要地磁场自从1830年首次测量至今，已经减弱了近10％。这比在失去能量来源的情况下磁场自然消退的速度大约快了20倍！下一次地磁反转即将来临吗？
    
    地球物理学家很早就知道，地球磁场变化的原因来源于地球中心的深处。地球像太阳系里的其他某些天体一样，是通过一个内部的发电机来产生自己的磁场。从原理上，地球“发电机”和普通发电机一样工作，即由其运动部份的动能产生电流和磁场。发电机的运动部份是旋转的线圈；行星或恒星内部运动部分则发生在可导电的流体部分。在地心，有着6倍于月球体积的巨大钢铁融流海洋，构成了所谓的地球发电机（geodynamo）。
    
    直到最近，科学家还主要依靠简化的理论来解释地球发电机和它的磁性秘密。然而在过去10年中，研究人员已经发展了新的方法来研究地球发电机的详细工作机制：人造卫星可以提供地球表面地磁场的清晰图像；同时，人们正在超级计算机上模拟地球发电机和在实验室里建立物理模型来解释这些轨道观测结果。这些工作对于过去磁极反转如何发生提出了一种很吸引人的解释，并对下一次反转可能如何开始提供了线索。
    
    驱动地球发电机
    
    我们探究磁场如何反转之前，需要了解是什么驱动着地球发电机。在1940年代，物理学家就公认：三个基本条件对产生任何的行星磁场是必需的，并且自那以后的其他发现都是建立在这一共识之上。第一个条件是：要有大量的导电流体──地球地心的外核是富含铁的流体。这个临界层包裹着一个几乎纯铁的固态地心内核，深埋在厚重的地幔和极薄地大陆、海洋地壳之下。距离地表的深度约2900千米。地壳和地幔重量带来的极大负荷，造成了地核内的平均压力是地表压力的200万倍。此外，地心的温度也同样极端──大约为摄氏5000度，和太阳表面的温度相近。
    
    这些极端的环境条件，构成了行星发电机的第二要件：驱动流体运动的能量来源。驱动地球发电机的能量，部份是热能，部份是化学能——两者都在地心深处造成浮力。就像一锅在火炉上熬着的汤一样，地心的底部比顶部热（地心的高温是地球形成时截留在地球中心的热能）。这意味着地心底部较热的、密度较低的铁趋向于上升，就像热汤里的水滴。当这些流体到达地心顶部时，会由于碰到上覆的地幔而丧失部份热量。于是液态铁会冷却、密度变得比周围的介质高，从而下沉。这个通过流体的上升和下降来自下而上传递热量的过程称为热对流。
    
    现任职于美国加州大学洛杉矶分校的Stanislav Braginsky在1960年代指出过，热量从地心上部的外核逸出也会导致地心固态内核体积的膨胀，产生两种另外的浮力来源来驱动对流。当液体的铁在固态内核的外部凝固成晶体时，潜在的热量——结晶热会作为副产品被释放出来。这些热量有助于增强热浮力。此外，密度较低的化合物（如硫化铁和氧化铁）被内核的结晶体排出并穿过外核上升，也会加强对流。
    
    行星要产生自维持的磁场，还需要第三个条件：旋转。地球的自转通过科里奥效应（Coriolis effect）使地心内上升的流体偏转，就像我们在气象卫星影像上看到的洋流和热带风暴被科里奥效应扭曲成熟悉的漩涡状一样。在地心中，科里奥力（Coriolis forces）使上涌的流体偏转，沿着螺旋形的轨迹上升，仿佛沿着松弛弹簧的螺旋状金属线运动。
    
    地球有着一个富含铁的液态地心能够导电、有足够的能量驱动对流、有科里奥力使对流的流体偏转，这些是地球发电机能够维持它本身数十亿年的主要原因。但科学家需要更多证据来回答磁场的形成和为什么随着时间的推移会改变极性等令人迷惑的问题

    超级计算机模拟
    
    为了进一步研究反向通量带是怎样发展的，以及它们是如何导致下次极性反转开始的，研究人员在超级计算机上和实验室里模拟了地球发电机。计算机用于地球发电机模拟的新时代开始于1995年，有三个研究组独立发展了能够产生类似地球表面磁场的数值模拟方法，他们分别是：日本东京大学的Akira Kageyama和他的合作者、美国加州大学洛杉矶分校的Paul h. Roberts和本文作者之一(Glatzmaier)和英国埃克塞特大学的Christopher A. Jones及其同事。其后，针对数十万年的模拟已经证明对流确实可以在地心-地幔边界上产生反向通量带，模拟结果和在人造卫星图像上发现的反向通量带类似。这些反向通量带往往在自然磁极反转前出现，这在一些模拟中能够再现。
    
    计算机产生的极性反转结果给研究者提供了这种变化可能如何开始和进行的基本轮廓[参见下页图文]。一个三维模拟结果可以解释当偶极场的强度减弱的时候，反转就开始了，得到这一结果要在一年多的时间里每天运行12小时模拟程序来模拟自然界的30万年时间。现在地心-地幔边界上形成的几个磁场通量反转带随之出现了。但是原来的磁场不是完全消失，反转通量带是在转换中形成了一个较弱的复杂混合极性磁场。
    
    通过观察地球模型，当反转通量带在地心-地幔边界上和原来的极性相比开始占据优势的时候，极性反转就发生了。总体上，贯穿地心的原来极性消失和新极性形成将持续大约9000年。
    
    遗漏了什么
    
    部分由于这些成功，计算机发电机模型被迅速采用了。据上次的统计，世界范围内有超过12个研究团队正在使用这些模型来帮助研究太阳系以内及以外的天体内产生的磁场。但是这些模型和地球实际发电机的符合程度怎样？事实是没有人确切知道。
    
    还没有计算机发电机模型能够模拟存在于行星内部的较宽频谱的紊流，这主要是因为目前的大型并行超级计算机还不能胜任三维环境下采用现实物理参数来精确模拟磁场紊流的任务。在地心中扭曲磁场的最小紊流漩涡发生的尺度或许是数米到数十米，远小于在目前的超级计算机上现有的全球地球发电机模型能够处理的尺度。这意味着所有的地球发电机三维计算机模型迄今为止只能模拟简化的、大尺度的层状对流流体，类似于灼热的矿物油在油灯内的上升情况。
    
    为了在层流模型中得到近似紊流的效果，研究人员对流体核的某些属性使用了不切实际的大数值，这些流体核在现实世界中是如此之小，以至于很难用数值方法来解决。为了在计算机模型里模拟真正的紊流，研究人员必须借助于二维视图。关键是二维流体不能维持发电机工作。这些模型还说明了目前地球发电机模拟出的层流和地心中存在的紊流相比还是过于平稳和简单。
    
    可能最显著的不同是流体穿过地心时的上升路线。在简化的层对流模拟中，大的流体柱从地心的底部一直延伸到顶部。另一方面，在二维紊流模型中对流可以由多个小流体柱和靠近地心上下边界的漩涡标识并和中间区域的主要对流相互作用。
    
    流体模式的这种不同，对地球磁场的结构和发生各种变化的时间有很大的影响。这是为什么研究人员坚持不懈地研发下一代三维模型的原因。也许十年后的某一天，计算机处理速度的进步将使模拟紊流发电机成为可能。在那以前，我们希望从现在进行的实验室发电机实验中获取更多的了解。
    
    实验室发电机
    
    增进对地球发电机了解的一个好方法把计算机发电机模型（缺乏紊流）和实验室发电机模型（缺乏对流）作比较。科学家在1960年代首次展示了实验室范围发电机的可能性，但是离成功还有很长的路。实验室装置和实际行星的内核在大小方面的巨大不同是一个至关重要的因素。一个能够自维持的流体发电机需要一个和维数无关的参数，称之为磁雷诺数（magnetic Reynolds number），应超过一个最小值，大致为10。
    地球地心的磁雷诺数很大，可能大约为1000，这主要是因为地球的线尺寸很大（地心的半径大约是3485千米）。简单外推就是，用体积很小的流体产生一个很大的磁雷诺数是极端困难的，除非高速移动这一流体。
    
    几个世纪以来，在实验室流体发电机里产生连续磁场的梦想首先实现于2000年，当时欧洲的两个研究团队——一个由拉脱维亚大学的Agris Gailitis领导，另一个由德国卡尔斯鲁厄研究中心的Robert Stieglitz和Ulrich Müller以及德国拜罗伊特大学的Fritz Busse组成——独立地实现了在大量的液钠里自己产生磁场。（采用液钠是因为钠具有高导电性和低熔点。）两个研究团队都找到了在1-2米长的螺旋型管道系统中获得高速流体的方法，从而得到了大约为10的临界磁雷诺数。
    
    这些实验结果证实了理论，让我们可以估计什么时候应用发电机理论于地球和其他行星。目前世界范围内的许多研究团队正在紧张地发展下一代实验室发电机。为了更好地模拟地球的几何形状，这些实验将在大型球状容器中搅动液钠，直径最大的达3米。
    
    除了正在进行的更真实的实验室发电机和三维计算机模拟计划以外，国际卫星CHAMP计划（Challenging Minisatellite Payload，挑战小卫星有效载荷的简写）正在制定高精度的地磁场测量计划，精度足以实时直接测量地磁场在地心-地幔边界的变化。研究人员预计该卫星在它的5年运行期内可以提供地磁场的连续图像，允许其监测反向通量带的连续增长，以及其他偶极场减弱的线索。
    
    预计人造卫星观测、计算机模拟和实验室实验这三种方法在下一个或两个十年内可以被综合。通过对神奇的地球发电机更全面的描绘，人们将认识到我们目前关于地磁场和它的反转的理论是否方向对头。