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，美國國家航空航天局(NASA)研究團隊在《自然·天文》在線(xiàn)公布的一項最新發(fā)現顯示，木星磁場(chǎng)會(huì )隨著(zhù)時(shí)間推移而不斷變化。這是科學(xué)家首次確定無(wú)疑地探測到地球之外天體內部磁場(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(lèi)似嗎?研究木星磁場(chǎng)對我們了解地球有何意義?

　　行星內部或有“發(fā)電機”

　　在太陽(yáng)系內，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，內稟磁場(chǎng)(行星內部自發(fā)產(chǎn)生、維持和變化的磁場(chǎng))、感應磁場(chǎng)以及剩余磁場(chǎng)。“感應磁場(chǎng)一般是指通過(guò)外界磁場(chǎng)或電流的變化而在行星內部導電區域中感應產(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(cháng)期存在。”中科院上海天文臺研究員孔大力接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)。

　　內稟磁場(chǎng)又是如何形成的呢?最早的解釋是“永磁鐵學(xué)說(shuō)”，人們認為，地球內部有巨大的磁石存在。“但是，地球內部溫度超過(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報記者。

　　“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報記者采訪(fǎng)時(shí)表示，在各種假說(shuō)中，學(xué)界公認的是“磁流體發(fā)電機”理論。

　　“根據發(fā)電機學(xué)說(shuō)，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(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。”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)電機能夠運作必須滿(mǎn)足三個(gè)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(xué)能以維持強烈的對流運動(dòng)，三是行星要有較快速的旋轉。

　　“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，對流強烈，又有自轉，所以有磁場(chǎng)。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(chǎng)。而火星內部可能大部分物質(zhì)已經(jīng)冷卻凝固了，金星自轉太慢，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、自轉越快的行星內稟磁場(chǎng)就越強。“因為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(zhì)，磁場(chǎng)也更強。”宗秋剛表示。

　　對行星環(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。這是因為磁場(chǎng)周?chē)写鸥芯€(xiàn)，帶電的巖漿噴出時(shí)會(huì )向著(zhù)磁場(chǎng)的方向排列，當巖漿冷卻、凝固就會(huì )將當時(shí)的磁場(chǎng)位形保存下來(lái)。

　　地球如果沒(méi)有磁場(chǎng)，人類(lèi)就會(huì )暴露于強烈的輻射中，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(zhù)種種困惑，科學(xué)家們試圖從其他行星著(zhù)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(guān)測任務(wù) “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(guān)木星磁場(chǎng)的新模型“JRM09”進(jìn)行比較。他們發(fā)現，從“先驅者”航天器提供的首批木星磁場(chǎng)數據到“朱諾”號提供的最新數據顯示，木星磁場(chǎng)的確在發(fā)生變化。“朱諾”號科學(xué)家吉米·摩爾說(shuō)：“長(cháng)達 40 年的近距離觀(guān)測為我們提供了足夠的數據。”

　　是什么促使木星磁場(chǎng)發(fā)生變化呢?研究團隊通過(guò)計算發(fā)現，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動(dòng)的大氣風(fēng)，這些大氣風(fēng)原本是中性的。當靠近行星內部時(shí)，由于溫度和壓強升高，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)生相對運動(dòng)，并在此過(guò)程中產(chǎn)生附加感應電流和磁場(chǎng)。這些附加的電流和磁場(chǎng)就會(huì )對原來(lái)的磁場(chǎng)產(chǎn)生影響。”戎昭金說(shuō)，吉米·摩爾通過(guò)計算大氣風(fēng)的運動(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)現計算結果與衛星的觀(guān)測分析基本相符。

　　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，是所有電流源共同造成的結果。”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，以及內部磁場(chǎng)發(fā)電機電流的變化。

　　據介紹，大氣環(huán)流、磁流體發(fā)電機和其他因素都會(huì )對木星磁場(chǎng)產(chǎn)生影響。“由于我們對木星早期觀(guān)測較少，加上木星觀(guān)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(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)現的一個(gè)很大意義在于，木星的大紅斑可能會(huì )因為磁場(chǎng)變化受影響。“觀(guān)測發(fā)現，大紅斑正在縮小。如果按照磁場(chǎng)現在的變化，木星的大紅斑有可能會(huì )消失。”宗秋剛說(shuō)。

　　不過(guò)，該發(fā)現實(shí)際上早已在科學(xué)家的預料之中。“通過(guò)磁場(chǎng)的長(cháng)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(chǎng)持續的測量。”孔大力說(shuō)。

　　戎昭金也表示，隨著(zhù)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(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)能夠幫助我們認識木星內部結構。“由于我們無(wú)法深入木星內部去探測，通過(guò)研究磁場(chǎng)可以在一定程度上診斷內部結構，這和通過(guò)重力場(chǎng)認識行星內部是一個(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，地球和木星內部熱量、物質(zhì)存在的狀態(tài)和電導率分布都差異巨大，所以發(fā)電機類(lèi)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(huán)流對地球磁場(chǎng)的影響沒(méi)有那么強。

　　盡管地球和木星的磁場(chǎng)存在差異，但研究木星磁場(chǎng)對了解地球磁場(chǎng)大有裨益。“因為地球在形成的早期階段和木星類(lèi)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。”戎昭金告訴科技日報記者，“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，從而認知生命的起源和人類(lèi)未來(lái)的命運。”
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