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李先生

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地球存在磁場的原理——百度知道 > 理工學科

發表評論(0)    發布時間:2009年7月24日  

    在1940年代,物理學家就公認:三個基本條件對產生任何的行星磁場是必需的,并且自那以后的其他發現都是建立在這一共識之上。第一個條件是:要有大量的導電流體——地球地心的外核是富含鐵的流體。這個臨界層包裹著一個幾乎純鐵的固態地心內核,深埋在厚重的地幔和極薄地大陸、海洋地殼之下。距離地表的深度約2900千米。地殼和地幔重量帶來的極大負荷,造成了地核內的平均壓力是地表壓力的200萬倍。此外,地心的溫度也同樣極端——大約為攝氏5000度,和太陽表面的溫度相近。
   
    這些極端的環境條件,構成了行星發電機的第二要件:驅動流體運動的能量來源。驅動地球發電機的能量,部份是熱能,部份是化學能——兩者都在地心深處造成浮力。就像一鍋在火爐上熬著的湯一樣,地心的底部比頂部熱(地心的高溫是地球形成時截留在地球中心的熱能)。這意味著地心底部較熱的、密度較低的鐵趨向于上升,就像熱湯里的水滴。當這些流體到達地心頂部時,會由于碰到上覆的地幔而喪失部份熱量。于是液態鐵會冷卻、密度變得比周圍的介質高,從而下沉。這個通過流體的上升和下降來自下而上傳遞熱量的過程稱為熱對流。
   
    現任職于美國加州大學洛杉磯分校的Stanislav Braginsky在1960年代指出過,熱量從地心上部的外核逸出也會導致地心固態內核體積的膨脹,產生兩種另外的浮力來源來驅動對流。當液體的鐵在固態內核的外部凝固成晶體時,潛在的熱量——結晶熱會作為副產品被釋放出來。這些熱量有助于增強熱浮力。此外,密度較低的化合物(如硫化鐵和氧化鐵)被內核的結晶體排出并穿過外核上升,也會加強對流。
   
    行星要產生自維持的磁場,還需要第三個條件:旋轉。地球的自轉通過科里奧效應(Coriolis effect)使地心內上升的流體偏轉,就像我們在氣象衛星影像上看到的洋流和熱帶風暴被科里奧效應扭曲成熟悉的漩渦狀一樣。在地心中,科里奧力(Coriolis forces)使上涌的流體偏轉,沿著螺旋形的軌跡上升,仿佛沿著松弛彈簧的螺旋狀金屬線運動。
   
    地球有著一個富含鐵的液態地心能夠導電、有足夠的能量驅動對流、有科里奧力使對流的流體偏轉,這些是地球發電機能夠維持它本身數十億年的主要原因。但科學家需要更多證據來回答磁場的形成和為什么隨著時間的推移會改變極性等令人迷惑的問題。
   
   
    根據衛星測量數據外推至地心-地幔邊界的地球磁場的等高線圖顯示大部分磁通量是在南半球穿出地心,在北半球進入地心。但是在少數特殊區域,確實出現了相反的情況。這些反向通量帶在1980年和2000年之間增長和擴張;如果它們覆蓋了兩極,接著就會發生極性反轉。
 

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