熔融地核中的湍動可增強地球磁場

作者 | 發布日期 2014 年 11 月 26 日 14:00 | 分類 天文
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法國 CNRS 與格勒諾布爾大學(Université Joseph Fourier Grenoble)等單位所屬的地球科學研究所(Institut des Sciences de la Terre)研究學者的最新研究結果指出:地球核心內熔融金屬的紊亂而無規律的運動,並不會抵銷地球磁場的強度,反而是對地球的磁場的增強有所貢獻。他們是透過模擬地球外核中被封閉在兩個旋轉中的同心金屬球殼間的液態鈉狀態而得出上述結論。



 

和其他行星與絕大部分的恆星一樣,地球是經由所謂的「發電機作用(dynamo action)」來產生磁場,也就是說由於導電流體的運動,電磁感應之故而產生磁場;在地球的案例中,即為混和了熔融的鐵與鎳等金屬元素的導電流體的流動所產生的。

 

地核湍動與地磁的關係

地球的液態金屬主要位在地球的外核中,而在外核以內的內核則主要是由固態金屬所組成。外核中液態金屬的運動主要是因冷卻而引起的對流運動;但實際的運動非常複雜:長距離的流體運動已經確知會產生磁場,但除此之外,還有許多紊亂的波動,牽涉到一些古怪而無規律的短程運動。雖然大氣與海洋中也有湍動(turbulent motion),可是地核中的湍動不同,因為它深深受到地球自轉和強磁場的綜合影響。科學家到目前為止還無法在實驗室中複製出這麼獨特的湍動,利用電腦模擬運算也無法完全解決,所以地球物理學家們一直無法確認這些湍動對地球磁場而言,究竟扮演了什麼樣的角色。

為了更瞭解這些湍動和地球磁場之間的互動,這些研究學者從 2005 年開始進行 Derviche Tourneur Sodium 實驗,將 40 公升的液態鈉(導電流體)封閉在兩同心金屬球殼之間的空間中,成為一個地球外核的縮小模型;金屬球殼的主要成分是銅,兩球殼的大小恰為地球內核半徑(地心到內核與外核的交界處)與地球外核半徑(地心到外核與地函的交界處)的比例。這個模型最獨特的地方就是他們在內層金屬球殼以內的空間中間放置一個磁鐵來製造強磁場,當轉動這個球殼時,便能有效地帶動 2 球殼之間的導電液體跟著運動。在這些狀態下,液態鈉主要受到強磁場支配而快速轉動,並預期它會一如地球核心般,同時具有大尺度動和小規模的無規律擾流。

 

解星球磁場的奧秘

在外球殼周圍和液態鈉中都有設置感應器以偵測磁場狀態,另外還用超音波波束(ultrasound beam)以都卜勒效應(Doppler effect)測量這些液體的流速。通過這些測量資料,這些研究學者發現液態鈉的湍動會增加流體導電能力,進而使磁場被增強,而不會如以前的實驗所稱會減弱磁場。這是首度在實驗室中觀察到這個現象,並且已經獲得數值模擬的確認。

這項發現除了瞭解地球本身的狀態外,還可應用到其他擁有磁場的行星和恆星上。因為這多出來的磁場分量,或許可以解釋金星的液態金屬核為何不能製造出磁場來。不說外面的世界,單說我們所在的地球,也可以利用這些湍流來瞭解地球磁場反轉的奧秘呢!

(本文引用自 臺北天文館之網路天文館網站) 

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