发电机理论：地球磁场的产生

引言

在可观测的宇宙中，磁场存在于任何有物质的地方。 它们存在于行星、恒星和星系尺度上，以及任何有足够数量的旋转导电流体的地方。发电机理论讲述了天体周围主磁场是如何产生的机制。

地球上的生命，正如我们所知，如果没有磁场将不复存在，因为它保护我们免受太阳风的侵袭——太阳发出的带电粒子不断涌入。

发电机理论的基本原理

从根本上讲，发电机理论解释了旋转、对流和导电的流体如何能够维持天文长时间的磁场。

地球就是一个很好的例子，因为构成地核外层的熔融铁和镍推动导电物质穿过已经很弱的磁场，从而产生电流（对流运动被认为是由于核心内部放射性衰变产生的热量引起的）。 由于电流的作用，产生了一个次级磁场，它与流体运动相互作用。 这两个磁场结合在一起，比单一磁场更强大，并且实际上位于地球的旋转轴上。

德国出生的美国物理学家沃尔特·M·埃尔萨瑟和英国地球物理学家爱德华·布拉德在1900年代中期提出了发电机理论。虽然已经提出了几种不同的过程来产生地磁场，但目前只有发电机假说被认真探索。

该理论的背景

威廉·吉尔伯特在1600年撰写《论磁石》时得出结论，地球是“磁性的”。 他还提出了对这种磁性起源的最初解释，这种磁性类似于在磁石中发现的永磁性。 安德烈-玛丽·安培于1822年提出“内部电流是地球磁场的来源”。 1919年，约瑟夫·拉莫尔提出，发电机（使用换向器产生直流电的电机）可能会产生磁场。 然而，即使在他清楚地提出了他的论点之后，一些杰出的科学家也提出了反驳意见。 诺贝尔奖获得者帕特里克·布莱克特尝试了几次，但从未能够找到磁矩和角动量之间的基本联系。

地球磁场起源于行星液态外核中产生的电流的观点是由沃尔特·M·埃尔萨瑟提出的，他被认为是现在被接受的发电机理论的“之父”。 通过他对岩石中矿物磁性方向的开创性研究，他能够深入了解地球磁场的历史。

外核必须对流才能保持磁场完整，防止欧姆衰减，这种衰减会在 20,000 年后发生在偶极子场。 最有可能的是，存在着组成和热对流的混合。 地幔调节着热量从核心中移除的速度。 热量的来源是核心压缩时释放的引力能、在内核边界的结晶潜热、钾、铀和钍的放射性以及光元素（可能是硅、氧或硫）在内核边界膨胀时被排斥时释放的引力能。

截至 21 世纪初，仍然需要一个令人信服的地球磁场数值模拟实例。 主要模型集中在通过行星液态外核内的对流产生磁场。 当模型被认为具有均匀的核心表面温度和极高的核心流体粘度时，展示强大、类似地球的场变得可行。 虽然使用更现实的参数值进行的计算产生的类似地球的磁场较少，但这些结果表明，进一步的模型改进最终可能会提供一个正确的分析模型。 然而，对核心表面温度的微小变化（通常在几毫开尔文范围内）会产生更现实的磁场。 这些波动会导致对流的显着增加。

太阳的发电机

太阳黑子和太阳耀斑是表明太阳可能包含发电机的两个磁现象。 找到太阳发电机的功能模型一直具有挑战性，尽管确实很困难。 它可以通过解释11年的太阳黑子周期、太阳黑子在相对的两半球中具有相反的极性、磁场周期性地翻转回其原始配置、绘制太阳黑子从大约纬度 30 度向赤道移动的毛德蝴蝶图，以及太阳的其他已知特征来解释恒星。

欧米茄效应是太阳发电机的一个被广泛认可的方面。 不同的纬度和与太阳核心的距离导致它以不同的速度旋转。 这意味着在八个月内，南北方向的磁力线完全被太阳包围。

阿尔法效应是另一个基本要素。 假设磁场仅通过对流进出太阳表面；但是，这种机制过于有效，并且在太阳黑子周期结束之前就结束了 11 年的持续时间。 作为一种替代方案，似乎是来自太阳内部更深处的磁力线不断增加导致磁场扭曲。 由于这种扭曲的磁场分组，可能会出现太阳黑子。

换句话说，为了清楚起见，阿尔法效应允许反过来是真实的，而欧米茄效应将南北方向的磁场转变为东西方向的磁场。 我们找到了一种在两种主要磁场方向之间交替的方法，并且这些与内部运动的结合产生了可持续的循环磁活动。

其他行星的发电机

已知由发电机驱动的磁场环绕着几个行星，而不是地球。 水星的磁极与天体上的磁极相反，这意味着尽管水星很小，但它仍然保持着适度的磁场（南磁极指向北，而不是相反）。 由于其靠近太阳，其磁场与太阳风强烈相互作用。

只有地球和水星是岩石行星，目前有已知的发电机在运行； 金星和火星没有。 根据地质证据，月球和火星过去可能很活跃，但现在几乎没有任何活动，不足以驱动发电机。

关于气态巨行星，讲述了一个独特的故事。 由于其巨大的体积，木星会产生强大的磁场，从而导致更多的物质对流和旋转。 在这种情况下，这种材料更具金属性，这是由于内部的巨大压力，这使得液态金属氢更容易移动，并导致更强的磁场。 木星的快速自转使磁力线进一步复杂化，这有助于其强大的磁场。

发电机理论的重要性

了解发电机理论的概念至关重要，原因如下

• 它解释了地球拥有磁场的概念以及原因，从而保护人类免受来自太阳的太阳风的侵袭，并且还有助于引导迁徙动物。
• 它提供了对地球和其他行星的动力学和内部结构的看法。
• 它促进了对恒星（例如太阳）磁活动的理解。