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【科技日報】变化的木星磁场 诉说着行星的哪些奥秘
2019-06-10 | 作者:转自:科技日報 | 【 】【打印】【關閉
來源:科技日報  作者:实习记者 代小佩  发布日期:2019-6-6

  90後在童年都有過一塊屬于自己的磁鐵。有磁鐵的地方就有磁場,它能散發出一股看不見的神奇力量。

  日前,美國國家航空航天局(NASA)研究團隊在《自然·天文》在線公布的一項最新發現顯示,木星磁場會隨著時間推移而不斷變化。這是科學家初次確定無疑地探測到地球之外天體內部磁場隨時間而變化的情況。

  行星磁場是如何构成的?地球和木星磁場的變化模式類似嗎?研究木星磁場對我們了解地球有何意義?

  行星內部或有“發電機” 

  在太陽系內,除了火星和金星外的六大行星都有磁場存在。

  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報记者采访时说。

  內禀磁場又是如何构成的呢?最早的解釋是“永磁鐵學說”,人們認爲,地球內部有巨大的磁石存在。“但是,地球內部溫度超過6000℃,而礦物的居裏溫度一般爲幾百攝氏度。由于磁石被加熱到超過其居裏溫度時,磁性就會消失。所以,很顯然地球內部不存在這樣的磁鐵。”中科院地質與地球物理研究所副研究員戎昭金告诉科技日報记者。

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

  “根據發電機學說,地球內核是液體的。這些液體溫度很高,能夠融化幾乎所有物質。其中的帶電物質在流動時産生電流,進而産生磁場。電流越大,産生的磁場就越強。”宗秋剛解釋道。

  地球磁場正在衰減 

  孔大力告訴記者,行星發電機能夠運作必須滿足三個條件:一是行星內部有導電流體,二是行星內部有足夠的熱能或化學能以維持強烈的對流運動,三是行星要有較快速的旋轉。

  “所以,有的行星有磁場,有的行星沒磁場。比如地球和水星有熔融鐵鎳金屬的外核,對流強烈,又有自轉,所以有磁場。木星、土星、天王星、海王星有導電的金屬氫層,對流強烈,自轉快速,所以也有很強磁場。而火星內部可能大部分物質已經冷卻凝固了,金星自轉太慢,可能是它們沒有磁場的原因。”孔大力說。

  一般來說,體積越大、自轉越快的行星內禀磁場就越強。“因爲體積越大內核就越深,帶電的液體承受的壓力和溫度隨之加大,能夠融化更多物質,磁場也更強。”宗秋剛表示。

  對行星環境來說,磁場的作用非同小可。“磁場能夠避免太陽風直接打到行星表面,磁場能‘鎖住’大氣和水分。”宗秋剛說,通過研究磁場還能推斷行星演化的曆史。這是因爲磁場周圍有磁感線,帶電的岩漿噴出時會向著磁場的方向陈列,當岩漿冷卻、凝固就會將當時的磁場位形保存下來。

  地球如果沒有磁場,人類就會暴露于強烈的輻射中,無法生存。“近100年來,地球的磁場正在慢慢減弱。將來某一天,地球的磁場能否也會消失,變得像火星一樣?”戎昭金說,帶著種種困惑,科學家們試圖從其他行星著手尋求答案。

  木星磁場變化受多重幹擾 

  NASA科學家將此前的木星觀測任務 “先驅者10”號、“先驅者11”號、“旅行者1”號以及“尤利西斯”號所獲得的數據,與有關木星磁場的新模型“JRM09”進行比較。他們發現,從“先驅者”航天器提供的首批木星磁場數據到“朱諾”號提供的最新數據顯示,木星磁場的確在發生變化。“朱諾”號科學家吉米·摩爾說:“長達40年的近距離觀測爲我們提供了足夠的數據。”

  是什麽促使木星磁場發生變化呢?研究團隊通過計算發現,大氣環流的作用能很好地解釋木星磁場變化。“木星表面有條帶狀運動的大氣風,這些大氣風原本是中性的。當靠近行星內部時,由于溫度和壓強升高,中性的大氣風逐漸被電離,從而帶電。帶電大氣風與磁場會發生相對運動,並在此過程中産生附加感應電流和磁場。這些附加的電流和磁場就會對原來的磁場産生影響。”戎昭金說,吉米·摩爾通過計算大氣風的運動速度與磁場的作用就可以得出木星磁場的變化大小,並發現計算結果與衛星的觀測分析基本相符。

  不過,讓戎昭金心存疑慮的是:單純用大氣環流解釋木星磁場的變化能否是独一解答?“磁場的産生是一種積分效應,是所有電流源共同形成的結果。”戎昭金直言,研究木星磁場變化的因素不能不考慮磁層電流以及磁層頂電流等外部電流的幹擾,以及內部磁場發電機電流的變化。

  據介紹,大氣環流、磁流體發電機和其他因素都會對木星磁場産生影響。“由于我們對木星早期觀測較少,加上木星觀測難度大,因而根據現有的數據和模型,想要真正嚴格區分究竟是哪一種因素導致木星磁場發生變化,真的很難做到。”戎昭金說。

  或能揭示地球未來 

  這次發現的一個很大意義在于,木星的大紅斑可能會因爲磁場變化受影響。“觀測發現,大紅斑正在縮小。如果按照磁場現在的變化,木星的大紅斑有可能會消失。”宗秋剛說。

  不過,該發現實際上早已在科學家的預料之中。“通過磁場的長期變化研究磁流體動力學性質是研究行星發電機的重要手段。這種研究方法在地球上已被廣泛應用,在木星上的應用得益于數十年的深空探測對木星磁場持續的測量。”孔大力說。

  戎昭金也表示,隨著歐洲航天局(ESA)的木星冰衛星探測器(JUICE)計劃以及更多木星探測計劃的推進,木星磁場的奥秘面紗將一層一層被揭開。

  了解木星磁場能夠幫助我們認識木星內部結構。“由于我們無法深入木星內部去探測,通過研究磁場可以在一定程度上診斷內部結構,這和通過重力場認識行星內部是一個道理。”戎昭金說。

  孔大力表示,地球和木星的磁場變化從物理本質上是一致的。但從磁流體動力學的角度,地球和木星內部熱量、物質存在的狀態和電導率分布都差異巨大,所以發電機類別不一樣。另外,與木星相比,地球的大氣基本不具有導電性,所以大氣環流對地球磁場的影響沒有那麽強。

  虽然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。“因为地球在构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。”戎昭金告诉科技日報记者,“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构成,从而认知生命的起源和人类未来的命运。”

 
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