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变化的木星磁场 诉说着行星的哪些奥秘

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2019-06-20 08:28 科技日报

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90后在童年都有过一块属于自己的磁铁。有磁铁的地方就有磁场,它能散发出一股看不见的神奇力量。

日前,美国国家航空航天局(NASA)研究团队在《自然·天文》在线公布的一项最新发现显示,木星磁场会随着时间推移而不断变化。这是科学家首次确定无疑地探测到地球之外天体内部磁场随时间而变化的情况。

行星磁场是如何形成的?地球和木星磁场的变化模式类似吗?研究木星磁场对我们了解地球有何意义?

行星内部或有“发电机”

在太阳系内,除了火星和金星外的六大行星都有磁场存在。

行星的磁场通常有三种,内禀磁场(行星内部自发产生、维持和变化的磁场)、感应磁场以及剩余磁场。“感应磁场一般是指通过外界磁场或电流的变化而在行星内部导电区域中感应产生的磁场。剩余磁场是由岩石或其它物质在冷却过程中保留下来的磁场,在低温条件下可以长期存在。”中科院上海天文台研究员孔大力接受科技日报记者采访时说。

内禀磁场又是如何形成的呢?最早的解释是“永磁铁学说”,人们认为,地球内部有巨大的磁石存在。“但是,地球内部温度超过6000℃,而矿物的居里温度一般为几百摄氏度。由于磁石被加热到超过其居里温度时,磁性就会消失。所以,很显然地球内部不存在这样的磁铁。”中科院地质与地球物理研究所副研究员戎昭金告诉科技日报记者。

“100多年前爱因斯坦就提出行星磁场的形成是个难题,至今依然没有解决。”北京大学地球与空间科学学院教授宗秋刚接受科技日报记者采访时表示,在各种假说中,学界公认的是“磁流体发电机”理论。

“根据发电机学说,地球内核是液体的。这些液体温度很高,能够融化几乎所有物质。其中的带电物质在流动时产生电流,进而产生磁场。电流越大,产生的磁场就越强。”宗秋刚解释道。

地球磁场正在衰减

孔大力告诉记者,行星发电机能够运作必须满足三个条件:一是行星内部有导电流体,二是行星内部有足够的热能或化学能以维持强烈的对流运动,三是行星要有较快速的旋转。

“所以,有的行星有磁场,有的行星没磁场。比如地球和水星有熔融铁镍金属的外核,对流强烈,又有自转,所以有磁场。木星、土星、天王星、海王星有导电的金属氢层,对流强烈,自转快速,所以也有很强磁场。而火星内部可能大部分物质已经冷却凝固了,金星自转太慢,可能是它们没有磁场的原因。”孔大力说。

一般来说,体积越大、自转越快的行星内禀磁场就越强。“因为体积越大内核就越深,带电的液体承受的压力和温度随之加大,能够融化更多物质,磁场也更强。”宗秋刚表示。

对行星环境来说,磁场的作用非同小可。“磁场能够避免太阳风直接打到行星表面,磁场能‘锁住’大气和水分。”宗秋刚说,通过研究磁场还能推断行星演化的历史。这是因为磁场周围有磁感线,带电的岩浆喷出时会向着磁场的方向排列,当岩浆冷却、凝固就会将当时的磁场位形保存下来。

地球如果没有磁场,人类就会暴露于强烈的辐射中,无法生存。“近100年来,地球的磁场正在慢慢减弱。将来某一天,地球的磁场是否也会消失,变得像火星一样?”戎昭金说,带着种种困惑,科学家们试图从其他行星着手寻求答案。

木星磁场变化受多重干扰

NASA科学家将此前的木星观测任务 “先驱者10”号、“先驱者11”号、“旅行者1”号以及“尤利西斯”号所获得的数据,与有关木星磁场的新模型“JRM09”进行比较。他们发现,从“先驱者”航天器提供的首批木星磁场数据到“朱诺”号提供的最新数据显示,木星磁场的确在发生变化。“朱诺”号科学家吉米·摩尔说:“长达40年的近距离观测为我们提供了足够的数据。”

是什么促使木星磁场发生变化呢?研究团队通过计算发现,大气环流的作用能很好地解释木星磁场变化。“木星表面有条带状运动的大气风,这些大气风原本是中性的。当靠近行星内部时,由于温度和压强升高,中性的大气风逐渐被电离,从而带电。带电大气风与磁场会发生相对运动,并在此过程中产生附加感应电流和磁场。这些附加的电流和磁场就会对原来的磁场产生影响。”戎昭金说,吉米·摩尔通过计算大气风的运动速度与磁场的作用就可以得出木星磁场的变化大小,并发现计算结果与卫星的观测分析基本相符。

不过,让戎昭金心存疑虑的是:单纯用大气环流解释木星磁场的变化是否是唯一解答?“磁场的产生是一种积分效应,是所有电流源共同造成的结果。”戎昭金直言,研究木星磁场变化的因素不能不考虑磁层电流以及磁层顶电流等外部电流的干扰,以及内部磁场发电机电流的变化。

据介绍,大气环流、磁流体发电机和其他因素都会对木星磁场产生影响。“由于我们对木星早期观测较少,加上木星观测难度大,因而根据现有的数据和模型,想要真正严格区分究竟是哪一种因素导致木星磁场发生变化,真的很难做到。”戎昭金说。

或能揭示地球未来

这次发现的一个很大意义在于,木星的大红斑可能会因为磁场变化受影响。“观测发现,大红斑正在缩小。如果按照磁场现在的变化,木星的大红斑有可能会消失。”宗秋刚说。

不过,该发现实际上早已在科学家的预料之中。“通过磁场的长期变化研究磁流体动力学性质是研究行星发电机的重要手段。这种研究方法在地球上已被广泛应用,在木星上的应用得益于数十年的深空探测对木星磁场持续的测量。”孔大力说。

戎昭金也表示,随着欧洲航天局(ESA)的木星冰卫星探测器(JUICE)计划以及更多木星探测计划的推进,木星磁场的神秘面纱将一层一层被揭开。

了解木星磁场能够帮助我们认识木星内部结构。“由于我们无法深入木星内部去探测,通过研究磁场可以在一定程度上诊断内部结构,这和通过重力场认识行星内部是一个道理。”戎昭金说。

孔大力表示,地球和木星的磁场变化从物理本质上是一致的。但从磁流体动力学的角度,地球和木星内部热量、物质存在的状态和电导率分布都差异巨大,所以发电机类别不一样。另外,与木星相比,地球的大气基本不具有导电性,所以大气环流对地球磁场的影响没有那么强。

尽管地球和木星的磁场存在差异,但研究木星磁场对了解地球磁场大有裨益。“因为地球在形成的早期阶段和木星类似,是气态行星。了解木星磁场,有助于揭示地球磁场的演化历史和趋势。”戎昭金告诉科技日报记者,“这就是比较行星学的价值所在。研究火星、金星、水星,最终目的还是了解地球的演化和宜居环境的形成,从而认知生命的起源和人类未来的命运。”

责任编辑:陶国琪(QT0003)

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