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各行星磁場的形成及其變化規律探討

來源:科技風 作者:鐘萃相
發布于:2021-10-09 共5522字

  摘    要: 現有的行星磁場的起源和演化理論認為行星磁場是由行星內核中導電流體的流動產生的,但這種假說無法解釋行星磁場空間分布的不均勻性和隨時間不斷變化的特性。于是,作者研究了太陽系行星的內部結構與外部環境,發現了這些行星磁場的形成及其變化規律。

  關鍵詞 :     水星;金星;地球;火星;木星;行星磁場;

  Abstract: The existing theories on the origin and evolution of planetary magnetic field believe that the planetary magnetic field is generated by the flow of conductive fluid in the planetary core, but these hypotheses can not explain the inhomogeneity of the spatial distribution of planetary magnetic field and its changing characteristics with time.Therefore, the author studied the internal structure and external environment of the planets in the solar system, and found the formation mechanism and variation law of the magnetic field of these planets.

  Keyword: Mercury; Venus; Earth; Mars; Jupiter; planetary magnetic fields;

  行星磁場是指行星周邊的磁場,但是比較有影響的行星磁場起源說都是沿襲地磁場的內部發電機學說,即認為行星磁場是由核中導電流體的流動產生[1,2]。但這種假說存在嚴重的缺陷,無法解釋行星磁場空間分布的不均勻性和隨時間不斷變化的特性。于是,作者重新分析了地球、水星、金星、火星、木星等行星的形成與演進過程及其內部結構與外部環境,找到了這些行星磁場的形成原因及其變化規律。

  1 、地磁場的形成與變化

  關于地磁場的成因,人們已提出了多種假說,其中比較有影響的是地球內部發電機說,但該假說仍然無法解釋地磁場空間分布的不均勻性和隨時間不斷變化的特性,因此存在嚴重缺陷,未能成為真正科學的理論。為此,作者重新分析了地球的形成與演進過程及其內部結構與外部環境,找到了地磁場的成因:地球兩極的大氣渦旋可產生螺旋電流,從而在兩極形成一系列方向相同的偶極磁場,疊加起各地云層大氣電路形成的局部非偶極磁場,便產生了當今的地磁場。在月球繞地球的運行過程中,月球對兩極渦旋都有萬有引力作用,導致極渦偏斜,便產生了磁偏角[3]。

  由于產生偶極磁場的極渦位于地球兩極,因此地磁場的強度在北美、西伯利亞和南極大陸附近達到最大值,而在靠近赤道的太平洋和南美洲中部達到最小值。這就說明地磁場空間分布的不均勻性。

  另外,在月球繞地球的運行過程中,正如月球能引海潮那樣,月球對極渦也有萬有引力作用。每當月球靠近極渦時,它能使極渦傾斜、拉伸、剪切或破裂,甚至拖出一些子氣旋,使極渦產生的偶極磁場發生變化。特別是當地球處于冰期時,有些拖出的子氣旋可立即變成氣流方向相反的氣旋,從而可產生極性相反的偶極磁場,當這些極性相反的偶極磁場成長為總強度大于原有極渦的偶極磁場強度時,地磁場就發生倒轉。

  此外,有些被拖出的子氣旋可能伴隨平流層的氣流沿月球引力方向移動,這些子氣旋遇到海洋表面的高溫氣流可立即加強為臺風或颶風。由于這些臺風或颶風也會產生一定強度的磁場,伴隨著太陽自西向東快速自轉和地球自西向東自轉,在太陽的引潮力作用下,這些風暴磁場有西漂的現象。綜上所述,地磁場是隨時間的變化而變化的。

  2 、水星磁場的形成與特征

  水星是太陽系八大行星之一,而且是距離太陽最近的行星。但其質量只有3.302×1023kg, 和一些衛星的質量差不多,所以它只能吸引非常稀薄的大氣,而且其自轉速度非常慢,它理當不存在磁場。然而20世紀70年代美國航天局發射的水星探測器Mariner 10飛越水星時發現水星確實存在一個很弱的磁場,這個磁場也像地磁場那樣是一個偶極磁場,圍繞在水星周圍,但北半球的磁場比南半球的磁場強得多。由于水星磁場與地磁場很相像,極性也相同,即水星磁場的南極在水星的北半球,其北極在南半球。于是有人認為,水星磁場的成因應該與地磁場的成因類似,即星核中導電流體的流動產生了水星磁場[4]。但這樣的假說無法解釋水星兩個半球磁場的差異,令人難以置信。

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  既然水星的內源磁場假設不能自圓其說,我們只能從水星的外部環境來探討水星磁場的成因。然而水星的質量與大衛星的質量差不多,難以吸積大量的氣體分子來形成厚實的大氣層,特別是,水星白天氣溫非常高,平均地表溫度為179℃,最高為427℃,水星大氣層中缺乏水分子,因而水星只有極稀薄的大氣層。另外,水星自轉速度太慢難以形成大氣渦旋,所以無法形成作為水星磁場主體的偶極磁場。因此,水星磁場只能依賴星際環境來產生。事實上,水星是繞太陽運行的行星,它也是距離太陽最近的行星,其近距離點離太陽46001200km, 遠日點離太陽69816900km。由于水星只擁有一個極其稀薄的大氣層,在太陽的照射下水星表面溫度可高達427℃,在水星繞太陽不斷運行過程中,水星內部積聚了大量的熱能,致使水星內部物質發生熔融分異,形成由金屬和金屬化合物組成的星體。水星探測數據也表明水星由大約70%的金屬和30%的硅酸鹽組成,所以水星是一種易磁化的星體。由于太陽磁場異常強大,在太陽風的作用下太陽磁場可拉伸到比海王星軌道還遠的地方,因此水星完全被太陽磁場包圍著,已被太陽磁場磁化,如圖1所示。

  圖1 水星被太陽磁場磁化

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  圖2 水星繞太陽的公轉軌道

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  然而,水星的軌道偏心率是太陽系行星中最大的,它與太陽的距離變化很大。當它在近日點時,僅距太陽46001200km, 當它在遠日點時,距離太陽698166900km, 如圖2所示。在水星繞太陽公轉的每個周期中,只在近日點附近受到較強太陽磁場的磁化,而且當水星運行到近日點附近位置時,水星北半球比南半球受到更多的太陽電磁輻射,這樣就導致水星北半球的磁場強于南半球的磁場。

  3、 金星磁場的形成與特征

  金星也是太陽系八大行星之一,按照行星離太陽的距離由小到大的順序排序,它是僅次于水星位列第二的行星。另外,它是距離地球最近的行星,它和地球一樣都是類地行星,而且其質量和大小都和地球相近,所以按理說,它也應該和地球一樣有較強的磁場。然而事實并非如此,地球有著比較強烈的磁場,而金星幾乎沒有磁場,只有極微弱的磁場。這是為什么呢?這是包括天文學家在內的許多科學家一直在尋求解答的問題[5]。

  科學家之所以一直沒能解答這個問題,是因為他們都認為金星磁場是由液態核對流產生的,而沒有想到行星磁場是由外部大氣環境形成的。雖然金星也像地球那樣有濃厚的大氣層,自轉周期為243日,比地球自轉周期為1日慢得多,所以金星的自轉速度太慢,根本不能形成極地渦旋,因而無法形成偶極磁場。另外,雖然金星也靠近太陽,但它離太陽的距離為1.082億km, 是水星近日點距離的2倍多,所以太陽磁場對金星的磁化作用很小,因此金星的磁場極其微弱甚至為0。

  4、 火星磁場的形成及其變化

  火星也是太陽系八大行星之一,其質量約為地球質量的19,從結構上看,它和地球同屬類地行星。按理說火星的磁場應該維持在地球磁場的10%~15%,但火星探測器檢測到火星磁場的強度僅為地磁場的0.1%~0.2%,而且只在最古老的隕石坑里才發現微弱的磁場,這些磁場可能是早期磁場的殘余。火星磁場的這種奇異特性令人迷惑不解。對于火星磁場的形成與演變,有些科學家認為,火星和地球一樣,火星曾經存在的磁場也是行星內部的導電流體的對流運動產生的,但這種猜想沒有證據。對于火星磁場的消失之謎,有人提出了另一個解釋:由于火星地幔遭到小行星的猛烈撞擊,溫度驟然上升,甚至變得比地核的溫度還高,它就無法對地核物質起到冷卻作用,于是對流被迫停止,因而對流引起的地磁場也就消失了[6]。但隨著時間的推移,火星地幔的溫度又會回降,行星內部的對流運動又會繼續,火星磁場又會恢復,怎會永久地消失呢?可見這種小行星撞擊火星導致火星磁場消失的理論也是不可信的。

  現有的關于火星磁場形成的假說之所以不能自圓其說是因為它們都是內源假說,沒有從火星的外部環境去探討火星磁場的成因和演化。事實上,在火星形成初期火星能夠吸收包括二氧化碳和水分子在內的多種氣體分子,形成有一定厚度的大氣層。由于火星遠離太陽,其表面溫度很低,特別是兩極的溫度常常低于冰的熔點-78℃,因此大量的二氧化碳分子和水分子被吸附在火星極地,形成厚度為幾公里的冰蓋,如圖3所示。受到如此厚實冰蓋的影響,火星兩極低空中的空氣都是異常寒冷的空氣。

  圖3 火星的冰蓋

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  圖4 火星極地渦旋

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  由于火星自轉離心力的作用使火星成長為赤道隆起、兩極稍扁的球體,使火星兩極位置的半徑小于赤道及其他位置的半徑,而萬有引力和距離的平方成反比。當火星快速自轉時,產生的強大離心力使赤道和低緯度地區上空的云氣容易遠離其旋轉軌道而沿著螺旋軌道向南極或北極移動。由于極地位置的萬有引力大于其他位置的萬有引力,因此當云氣移到極地上空時容易被極地的萬有引力吸引住,云氣吸入冷空氣后便凝結成厚重的云團而下沉。許多墜向極地的云團隨著火星的自轉便形成一股很強的圍繞極地旋轉的環流,即“極地渦旋”,如圖4所示。這種極地渦旋在夜晚能夠形成螺旋電流,產生具有一定強度的偶極磁場。在火星形成的最初5~10億年里,兩極渦旋長時期存在,其產生的偶極磁場對地表有長期的磁化作用,從而產生了火星表面磁化的地殼。但在白天極地受到太陽的照射,兩極空氣難以凝結成水珠,使極地渦旋難以形成強大的螺旋電流,從而無法產生可探測到的明顯磁場和極光。正因為火星在夜晚和白天的表象不同,因此火星自古就被稱為“熒惑”。

  在火星的形成過程中,火星一邊繞太陽旋轉,一邊吸收著軌道附近的微塵和氣體,使火星質量逐漸增大。隨著火星質量和體積的不斷增加,火星內部的熱能不斷積聚,包括火星高速公轉引起的氣流摩擦產生的熱能,火星自身引力收縮過程產生的熱能,原始火星內部化學物質反應產生的熱能。正是由于火星熱能的積聚,使火星地表下形成了巖漿庫,產生了劇烈的巖漿活動,使得火星地表下有足夠的熱量,將火星極地冰蓋很大部分融化成水。火星兩極冰蓋的消融,使極地渦旋大大削弱,磁場也相應削弱。特別在火星北部有大規模熔巖活動的低地或火山區,由于冰蓋消融了許多,極渦無法形成,偶極磁場也隨之煙消云散。

  另外,即使火星上仍有微弱的大氣渦旋產生,但火衛一和火衛二的質量太小,它們對火星兩極氣旋的萬有引力作用也太小,無法倒出氣旋中的冷氣流來覆蓋大氣層,因而無法將火星上蒸發起來的水汽和其他氣體冷凝成液滴降回火星表面,致使火星從太空中吸收的水分子和其他氣體分子容易逃回太空,因此火星質量增長緩慢,地表下的熱量難以散發,極地冰蓋很難增大,火星磁場也很難增強。只有當火星及其衛星成長到足夠大時,其上的大氣渦旋才能足夠強大,火星衛星才能倒出大氣渦旋中的冷氣流來覆蓋大氣層,從而將火星上蒸發起來的水汽和其他氣體冷凝成液滴降回火星表面,才能保持經久不衰的磁場。

  5 、木星磁場的形成及其變化規律

  現有的行星磁場理論認為,木星內部有一個類似地磁場的磁場,是液態金屬氫攪動形成的。但這一假說無法解釋木星磁場的許多奇怪性質,特別是美國宇航局朱諾號飛船發現的木星磁場是隨時間變化的[7,8,9]。因此,木星磁場是內部磁場的假設是難以置信的。因此,作者重新分析了木星的形成演化及其內部結構和外部環境,發現了木星磁場的形成和變化規律:木星南北兩極的極渦可以產生螺旋流,然后在木星的北極和南極分別形成一個合成的磁偶極磁場。但是木星有許多巨大的衛星,它們不斷地圍繞著木星旋轉,會對木星磁場產生巨大的影響。當一顆巨大的木星衛星接近極渦時,它會使極渦傾斜、拉伸、剪切或受到破壞,甚至從極渦中拖出一些子氣旋,而且一些子氣旋可能會變成氣流方向相反的氣旋。因此,木星衛星的破壞不僅會削弱原氣旋產生的偶極子磁場,還會產生一些反向磁場,抵消部分原磁場。當這類木星衛星旋轉足夠多次時,產生的反向磁場疊加起來會抵消原來的磁場,最終使木星磁場反轉,如圖5所示。因此,木星磁場的北極在地理北極附近,木星磁場的南極在地理南極附近,即木星磁場的方向與地球磁場的方向相反[10]。

  圖5 木星極地渦旋及其周圍的反向子氣旋

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  參考文獻

  [1]Schubert G,Soderlund K M. Planetary magnetic fields:Observations and models[J]. Physics of the Earth & Planetary Interiors,2011,187 (3-4):92-108.

  [2]Jones,Chris A. Planetary Magnetic Fields and Fluid Dynamos[J].Annual Review of Fluid Mechanics ,2011,43 (1):583-614.

  [3] Cuixiang Zhong.The Origin of Geomagnetic Field as well as the Generation of Geomagnetic Declination and the Cause of Geomagnetic Reversal[C].第十四屆中國國際地球電磁學術研討會論文集, 2019-08-29.

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  [5]Nimmo F.Why does Venus lack a magnetic field?[J]. Geology,2002,30 (11):987-990.

  [6]Roberts ,J.H. Lllis,R.J.Manga, M.. Giant impacts on early Mars and the cessation of the Martian dynamo[J].Journal of Geophysical Research Planets , 2009-04-23. .

  [7]Jones Chris . Jupiter's magnetic field revealed by the Juno spacecraft[J].Nature,2018.

  [8]K.M. Moore,H.Cao,J. Bloxham,D.J. Stevenson,J.E P.Connerney & S.J. Bolton.Time variation of Jupiter's internal magnetic field consistent with zonal wind advection[J].Nature Astronomy,vol.3,pp.730-735 (2019).

  [9]J.Wicht;T.Gastine;L. D.V.Duarte;W. Dietrich. Dynamo action of the zonal winds in Jupiter[J] Astronomy & Astrophysics ,2019-09-19.

  [10]Cuixiang Zhong.Formation and Change of Jupiter's Magnetic Field[J].American Journal of Astronomy and Astrophsics.Vol.8,No 2,2020,pp.35-38.


作者單位:江西師范大學
原文出處:鐘萃相.行星磁場的起源與演化[J].科技風,2021(26):133-135.
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