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[自然科学] 地球磁场即将反转(1)
地球磁场即将反转?

地球为什么有磁场?磁场又为什么会反转?近来对于地球内部的相关研究,为下次的地磁反转提供了新的线索。
撰文╱格拉兹麦尔(Gary A. Glatzmaier)、欧尔森(Peter Olson)
翻译/傅宗玫

利用电脑模拟的地球发电机,其磁力线显示出,地球磁场在地核外的部份比在地核内部单纯得多(地核内遍布纠结的线条)。磁场主要由南极附近穿出地表(黄色长线),而在北极附近进入地表(蓝色长线)。

大部份的人都认为,磁针会指向北方是理所当然的。数千年来,水手靠着地球的磁场来导航;而鸟类和其他能感应磁场的动物,则已经运用这个方法有更长一段时间了。然而奇怪的是,地球的磁极并不是一直都朝着现在所指的方向。

有些矿物可以记录地球磁场的方向;根据它们的记录所显示,在地球45亿年的历史中,地磁的方向已经反覆南北倒转了好几百次。不过,在最近的78万年内都未曾发生过倒转──这比之前发生倒转的平均间隔时间25万年要长了许多。此外,地球的主要磁场自1830年首次测量至今,已经减弱了将近10%。这个速率相当于在失去能量来源的情况下,磁场自然消退速率的20倍。难道是,下一次的地磁反转即将来临?

地球物理学家很早就知道,地球磁场变化的原因深藏于地球中心。地球就如同太阳系里的一些其他天体,是利用内部的发电机来产生磁场。基本上,地球发电生磁的机制就和普通发电机一样,藉由某个部份运动的动能,产生电流和磁场。在一般的发电机里,运动的部份是旋转的线圈;而在行星或恒星里,运动的则是导电的流体。在地球核心,有着体积相当于六个月球、处于熔融状态的铁,形成不断环绕流动的汪洋,构成了所谓的地球发电机(geodynamo)。

地球内部清楚的分成几个层次,包括液态的外核──该处的乱流对流形成了复杂的循环结构,进而产生地球磁场。

一直以来,科学家主要是靠着简单的理论来解释地球发电机和其神秘的磁力。但最近10年,研究人员发展出新的方法来探索地球发电机的详细运作机制。人造卫星能清楚拍摄地表磁场的图像;而利用超级电脑来模拟地球发电机,以及在实验室里建立的物理模型,则解释了轨道上的观测结果。这些工作,对于过去的磁极反转提出了一套很有意思的解释,更对下一次的反转事件将如何展开,提供了新的线索。

驱动地球发电机
在我们开始探索磁场如何反转之前,必须先了解,是什么力量驱动着地球发电机。在1940年代前,物理学家便已明白,行星要能产生磁场,必须满足三项基本条件;之后的发现都是建构在这个基础上。第一要件,要有大量的导电流体──地球的外核为液态,且富含铁质。这关键性的外核包覆着几乎是由纯铁所组成的固态内核,深埋在厚重的地函与极薄的大陆、海洋地壳之下,距离地表的深度约2900公里。地壳和地函的重量,使地核内的平均压力高达地表压力的200万倍。此外,地核的温度也十分极端──约为5000℃,相当于太阳表面的温度。

这些极端的环境条件,构成了行星发电机的第二要件:流体运动的能量来源。驱动地球发电机的能量,部份是热能,部份是化学能──两者都在地球核心深处造成浮力。就像一锅在炉上烧着的汤一样,地核底部比顶部热。(地核的高温来自地球形成时囚禁在中心的热能。)因此地核底部那些较热、密度较低的铁会上升,就像热汤里的大气泡那样。当这些液体到达地核顶端,碰到上方的地函时,会丧失部份的热。于是液态铁会冷却、密度变得比周围环境高,因而下沉。这个透过流体的上升及下沉,将热能由下往上传送的过程,称为热对流。

来自 http://www.sciam.com.tw/read/re...ocNo=670&CL=4



献花 x0 回到顶端 [楼 主] From:台湾教育部 | Posted:2005-08-29 08:47 |

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