90后在童年都有過(guò)一塊屬于自己的磁鐵。有磁鐵的地方就有磁場(chǎng)，它能散發(fā)出一股看不見(jiàn)的神奇力量。

 

　　日前，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）研究團(tuán)隊(duì)在《自然·天文》在線公布的一項(xiàng)最新發(fā)現(xiàn)顯示，木星磁場(chǎng)會(huì)隨著時(shí)間推移而不斷變化。這是科學(xué)家首次確定無(wú)疑地探測(cè)到地球之外天體內(nèi)部磁場(chǎng)隨時(shí)間而變化的情況。

 

　　行星磁場(chǎng)是如何形成的？地球和木星磁場(chǎng)的變化模式類似嗎？研究木星磁場(chǎng)對(duì)我們了解地球有何意義？

 

　　行星內(nèi)部或有“發(fā)電機(jī)”

 

　　在太陽(yáng)系內(nèi)，除了火星和金星外的六大行星都有磁場(chǎng)存在。

 

　　行星的磁場(chǎng)通常有三種，內(nèi)稟磁場(chǎng)（行星內(nèi)部自發(fā)產(chǎn)生、維持和變化的磁場(chǎng)）、感應(yīng)磁場(chǎng)以及剩余磁場(chǎng)。“感應(yīng)磁場(chǎng)一般是指通過(guò)外界磁場(chǎng)或電流的變化而在行星內(nèi)部導(dǎo)電區(qū)域中感應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。剩余磁場(chǎng)是由巖石或其它物質(zhì)在冷卻過(guò)程中保留下來(lái)的磁場(chǎng)，在低溫條件下可以長(zhǎng)期存在。”中科院上海天文臺(tái)研究員孔大力接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)說(shuō)。

 

　　內(nèi)稟磁場(chǎng)又是如何形成的呢？最早的解釋是“永磁鐵學(xué)說(shuō)”，人們認(rèn)為，地球內(nèi)部有巨大的磁石存在。“但是，地球內(nèi)部溫度超過(guò)6000℃，而礦物的居里溫度一般為幾百攝氏度。由于磁石被加熱到超過(guò)其居里溫度時(shí)，磁性就會(huì)消失。所以，很顯然地球內(nèi)部不存在這樣的磁鐵。”中科院地質(zhì)與地球物理研究所副研究員戎昭金告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

 

　　“100多年前愛(ài)因斯坦就提出行星磁場(chǎng)的形成是個(gè)難題，至今依然沒(méi)有解決。”北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授宗秋剛接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，在各種假說(shuō)中，學(xué)界公認(rèn)的是“磁流體發(fā)電機(jī)”理論。

 

　　“根據(jù)發(fā)電機(jī)學(xué)說(shuō)，地球內(nèi)核是液體的。這些液體溫度很高，能夠融化幾乎所有物質(zhì)。其中的帶電物質(zhì)在流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生電流，進(jìn)而產(chǎn)生磁場(chǎng)。電流越大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)就越強(qiáng)。”宗秋剛解釋道。

 

　　地球磁場(chǎng)正在衰減

 

　　孔大力告訴記者，行星發(fā)電機(jī)能夠運(yùn)作必須滿足三個(gè)條件：一是行星內(nèi)部有導(dǎo)電流體，二是行星內(nèi)部有足夠的熱能或化學(xué)能以維持強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，三是行星要有較快速的旋轉(zhuǎn)。

 

　　“所以，有的行星有磁場(chǎng)，有的行星沒(méi)磁場(chǎng)。比如地球和水星有熔融鐵鎳金屬的外核，對(duì)流強(qiáng)烈，又有自轉(zhuǎn)，所以有磁場(chǎng)。木星、土星、天王星、海王星有導(dǎo)電的金屬氫層，對(duì)流強(qiáng)烈，自轉(zhuǎn)快速，所以也有很強(qiáng)磁場(chǎng)。而火星內(nèi)部可能大部分物質(zhì)已經(jīng)冷卻凝固了，金星自轉(zhuǎn)太慢，可能是它們沒(méi)有磁場(chǎng)的原因。”孔大力說(shuō)。

 

　　一般來(lái)說(shuō)，體積越大、自轉(zhuǎn)越快的行星內(nèi)稟磁場(chǎng)就越強(qiáng)。“因?yàn)轶w積越大內(nèi)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(zhì)，磁場(chǎng)也更強(qiáng)。”宗秋剛表示。

 

　　對(duì)行星環(huán)境來(lái)說(shuō)，磁場(chǎng)的作用非同小可。“磁場(chǎng)能夠避免太陽(yáng)風(fēng)直接打到行星表面，磁場(chǎng)能‘鎖住’大氣和水分。”宗秋剛說(shuō)，通過(guò)研究磁場(chǎng)還能推斷行星演化的歷史。這是因?yàn)榇艌?chǎng)周圍有磁感線，帶電的巖漿噴出時(shí)會(huì)向著磁場(chǎng)的方向排列，當(dāng)巖漿冷卻、凝固就會(huì)將當(dāng)時(shí)的磁場(chǎng)位形保存下來(lái)。

 

　　地球如果沒(méi)有磁場(chǎng)，人類就會(huì)暴露于強(qiáng)烈的輻射中，無(wú)法生存。“近100年來(lái)，地球的磁場(chǎng)正在慢慢減弱。將來(lái)某一天，地球的磁場(chǎng)是否也會(huì)消失，變得像火星一樣？”戎昭金說(shuō)，帶著種種困惑，科學(xué)家們?cè)噲D從其他行星著手尋求答案。

 

　　木星磁場(chǎng)變化受多重干擾

 

　　NASA科學(xué)家將此前的木星觀測(cè)任務(wù)“先驅(qū)者10”號(hào)、“先驅(qū)者11”號(hào)、“旅行者1”號(hào)以及“尤利西斯”號(hào)所獲得的數(shù)據(jù)，與有關(guān)木星磁場(chǎng)的新模型“JRM09”進(jìn)行比較。他們發(fā)現(xiàn)，從“先驅(qū)者”航天器提供的首批木星磁場(chǎng)數(shù)據(jù)到“朱諾”號(hào)提供的最新數(shù)據(jù)顯示，木星磁場(chǎng)的確在發(fā)生變化。“朱諾”號(hào)科學(xué)家吉米·摩爾說(shuō)：“長(zhǎng)達(dá)40年的近距離觀測(cè)為我們提供了足夠的數(shù)據(jù)。”

 

　　是什么促使木星磁場(chǎng)發(fā)生變化呢？研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，大氣環(huán)流的作用能很好地解釋木星磁場(chǎng)變化。“木星表面有條帶狀運(yùn)動(dòng)的大氣風(fēng)，這些大氣風(fēng)原本是中性的。當(dāng)靠近行星內(nèi)部時(shí)，由于溫度和壓強(qiáng)升高，中性的大氣風(fēng)逐漸被電離，從而帶電。帶電大氣風(fēng)與磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并在此過(guò)程中產(chǎn)生附加感應(yīng)電流和磁場(chǎng)。這些附加的電流和磁場(chǎng)就會(huì)對(duì)原來(lái)的磁場(chǎng)產(chǎn)生影響。”戎昭金說(shuō)，吉米·摩爾通過(guò)計(jì)算大氣風(fēng)的運(yùn)動(dòng)速度與磁場(chǎng)的作用就可以得出木星磁場(chǎng)的變化大小，并發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與衛(wèi)星的觀測(cè)分析基本相符。

 

　　不過(guò)，讓戎昭金心存疑慮的是：?jiǎn)渭冇么髿猸h(huán)流解釋木星磁場(chǎng)的變化是否是唯一解答？“磁場(chǎng)的產(chǎn)生是一種積分效應(yīng)，是所有電流源共同造成的結(jié)果。”戎昭金直言，研究木星磁場(chǎng)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干擾，以及內(nèi)部磁場(chǎng)發(fā)電機(jī)電流的變化。

 

　　據(jù)介紹，大氣環(huán)流、磁流體發(fā)電機(jī)和其他因素都會(huì)對(duì)木星磁場(chǎng)產(chǎn)生影響。“由于我們對(duì)木星早期觀測(cè)較少，加上木星觀測(cè)難度大，因而根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)和模型，想要真正嚴(yán)格區(qū)分究竟是哪一種因素導(dǎo)致木星磁場(chǎng)發(fā)生變化，真的很難做到。”戎昭金說(shuō)。

 

　　或能揭示地球未來(lái)

 

　　這次發(fā)現(xiàn)的一個(gè)很大意義在于，木星的大紅斑可能會(huì)因?yàn)榇艌?chǎng)變化受影響。“觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，大紅斑正在縮小。如果按照磁場(chǎng)現(xiàn)在的變化，木星的大紅斑有可能會(huì)消失。”宗秋剛說(shuō)。

 

　　不過(guò)，該發(fā)現(xiàn)實(shí)際上早已在科學(xué)家的預(yù)料之中。“通過(guò)磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化研究磁流體動(dòng)力學(xué)性質(zhì)是研究行星發(fā)電機(jī)的重要手段。這種研究方法在地球上已被廣泛應(yīng)用，在木星上的應(yīng)用得益于數(shù)十年的深空探測(cè)對(duì)木星磁場(chǎng)持續(xù)的測(cè)量。”孔大力說(shuō)。

 

　　戎昭金也表示，隨著歐洲航天局（ESA）的木星冰衛(wèi)星探測(cè)器（JUICE）計(jì)劃以及更多木星探測(cè)計(jì)劃的推進(jìn)，木星磁場(chǎng)的神秘面紗將一層一層被揭開(kāi)。

 

　　了解木星磁場(chǎng)能夠幫助我們認(rèn)識(shí)木星內(nèi)部結(jié)構(gòu)。“由于我們無(wú)法深入木星內(nèi)部去探測(cè)，通過(guò)研究磁場(chǎng)可以在一定程度上診斷內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這和通過(guò)重力場(chǎng)認(rèn)識(shí)行星內(nèi)部是一個(gè)道理。”戎昭金說(shuō)。

 

　　孔大力表示，地球和木星的磁場(chǎng)變化從物理本質(zhì)上是一致的。但從磁流體動(dòng)力學(xué)的角度，地球和木星內(nèi)部熱量、物質(zhì)存在的狀態(tài)和電導(dǎo)率分布都差異巨大，所以發(fā)電機(jī)類別不一樣。另外，與木星相比，地球的大氣基本不具有導(dǎo)電性，所以大氣環(huán)流對(duì)地球磁場(chǎng)的影響沒(méi)有那么強(qiáng)。

 

　　盡管地球和木星的磁場(chǎng)存在差異，但研究木星磁場(chǎng)對(duì)了解地球磁場(chǎng)大有裨益。“因?yàn)榈厍蛟谛纬傻脑缙陔A段和木星類似，是氣態(tài)行星。了解木星磁場(chǎng)，有助于揭示地球磁場(chǎng)的演化歷史和趨勢(shì)。”戎昭金告訴科技日?qǐng)?bào)記者，“這就是比較行星學(xué)的價(jià)值所在。研究火星、金星、水星，最終目的還是了解地球的演化和宜居環(huán)境的形成，從而認(rèn)知生命的起源和人類未來(lái)的命運(yùn)。”