地球发电机过程的实验室模拟研究

关于地磁场起源的研究依赖于理论研究、实验室实验、数值模拟和实地观测等四个方面的工作:理论研究给出物理框架,提出物理思想;实验室实验检验理论预言,发现新现象;数值模拟可以对很大参数空间的复杂过程和对象给出多方面的过程描述;而实地观测不仅仅是上述三方面研究工作的出发点和基础,而且也是对研究结果的最终检验.本文介绍地球发电机过程实验研究的主要结果,特别是2000年后的突破性进展.目前,大多数实验研究还停留在运动学发电机水平,相对于数值模拟的巨大成就来说,实验研究需要大力发展,这就是正在发展中的第二代实验发电机.

核幔相互作用与地球发电机理论

扼要地阐述了地球发电机理论在地球深部研究中的重要地位;强调地球磁场及其时空变化是认识地球深部,尤其是核幔相互作用的主要途径;提出当前推进地球发电机理论研究的一个突破口是揭示核幔相互作用,特别是热的和化学的相互作用对地球发电机模型的影响。

模拟地球发电机

大多数人认为,指北针当然指向北方。数千年以来,水手依靠地球磁场来导航;而鸟类和其他对磁场敏感的动物应用这个方法已经有更长一段时间了。说来奇怪,地球的磁极并不是始终指向同一个方向。

引入地轴进动的地球发电机模型数值模拟

在地球外核磁流体发电机数值模拟研究中,与地轴进动相关的庞加莱力通常视其影响极小而在求解发电机方程组中将其忽略,但实际上地轴进动的周期相对地球磁场的倒转周期来说仍是一个值得考虑的项。基于地球发电机数值模拟基准模型,通过引入周期为25960 a的地轴进动速度,比较分析不同埃克曼数和瑞利数参数组合模型中地轴进动对发电机数值模型的作用。结果表明,地轴进动使得球壳磁流体的动能及磁能波动稳定在一个较原始模型更小的范围内,但增大球壳磁流体的环向动能10%~20%以上,这导致磁场西向漂移速率明显加快;通过比较各模型间的核-幔边界磁场强度和磁雷诺数,发现地轴进动项的引入使得磁流体的能量更倾向于向动能转换;通过比较核-幔边界的偶极性,发现地轴进动项的引入会降低磁流体发电机数值模型的偶极性,但对于所选的原始模型,偶极性的减小程度还不足以使其成为非类地发电机模型。通过数值模拟研究,发现地轴进动项的加入很可能会导致埃克曼数量级较小的类地发电机模型变为多极子主导的发电机模型,因此,在更为准确的磁流体发电机数值模拟研究中,必须考虑地轴进动项。

地球磁场的西向漂移

西向漂移是地球主磁场长期变化最重要的特点之一，任何一个成功的地磁场起源理论都把能否合理地解释西漂作为检验标准之一．本文简要回顾地磁场酉源研究的历史，对计算西源的各种方法和结果作了对比分析，对这些方法的物理依据、特点及局限性进行了讨论．对分离磁场漂移部分和形变部分的新途径进行了探讨，对解释西漂的物理模型也作了简要的评述，

地磁学发展史的启示

地磁学诞生于指南针的发明和测向的应用,它的发展从一开始就与实际应用紧密结合,因此,鲜明的实用性色彩是地磁学这门古老学科与生俱来的特点,正是这一特点。使地磁学有着广泛而实在的社会需求,因而也获得了强劲而持续的发展动力。另一方面,地磁学的基本理论(如地磁场起源、电磁波传播、磁层与电离层的形成以及日地相互作用等)深深植根于物理学、化学和数学,这就使得地磁学得以与数理科学同步发展。此外,地磁学是以磁场测量为基础的实验性学科,所以,它又与技术进步息息相关,新仪器的发明、计算机的发展和空间探测无不有力地推动着地磁学的发展。

日地关系研究的一种新观点介绍

介绍了Ｇ．Ｐ．Ｇｒｅｇｏｒｉ提出的关于日地关系的新因果链：太阳→太阳风（及月球引潮力）→地幔内地磁感应々→“发电机”感应电流→焦耳热→火山（及地热流）→水或其它微量元素进入大气圈→控制长期气候变化。对这种因果链提出的背景知识、资料证明及应用前景作了详细说明。介绍了国内一些学者关于日地关系的看法，并将二者加以比较。提出了对日地关系研究的看法及急需解决的问题。

什么引起了最近北磁极的加速漂移?

引言北磁极位于地磁场竖直向下的地球表面。虽然地核通过内部对流的地球发电机过程维持了地球的主磁场,但却引起了北磁极随时间的不断漂移。北磁极的漂移速度从20世纪90年代初的15km/a突然增加到90年代末的55km/a。由于此前150多年里观测到的北磁极漂移速度不超过15km/a,所以漂移的加速引起了大家的广泛关注。

地磁长期变化与全地幔对流过程可能的联系

地球内部磁场的变化时间从数月到数十亿年不等。地磁场是由液态外地核对流产生的,从而受到从地核到地幔底部热流的影响。地磁场的变化在很大程度上被认为是随机的,但是它的长期变化可能与地幔对流过程中的热流变化有关。在过去的500Ma中,古地磁行为与地表过程的联系在始于约180Ma前的中生代中晚期尤为显著。地球发电机模拟表明,侏罗纪中期到白垩纪中期之间发生了磁极快速反转时期到持久稳定时期的转变,这或许是球对称的或者赤道方向的核幔边界热流的减少所触发的。该热流的减少可能与核幔边界处地幔柱顶冠活动的减弱有关,或者与真极移有关,亦或与二者同时有关。

南北极何时互换?

地球内部是个同心层构造,大致可分为三层——地壳、地幔和地核。地壳相当于蛋壳部分,地幔类似蛋白,而地核则相当蛋黄。地球和一只尚未完全煮熟的鸡蛋非常相似:地核的最外层是液态的,有大量液态铁在作涡流运动,好比一台地球发电机,使地球本体具有磁性,使地球及其周围空间形成一个磁场。今天地磁极位于地球的南北两极附近,但它们的位置经常在缓慢地移动。在距今约78万年的远古时代,地磁极曾经发生过换极。

地磁倒转的原因是什么?

地磁倒转是地球演化史上的全球性重大事件.由于对地球内部物质和运动的认识不足,目前我们尚不清楚地磁倒转的确切原因.不过,相关研究也取得了明显的进展,现在已经知道地磁场是由地球外核的磁流体发电机过程所产生,数值模拟和实验已能再现一个与地磁场时空特征相似的磁场,并从中发现了磁场的自发倒转现象.由于数值模拟和实验的近似程度远未达到地球的真实情况,地磁倒转的自发性目前还不能予以确认.近年来的研究发现,虽然地磁场起源于地球外核,但其他圈层的物性参数分布和运动,如下地幔和地核的电导率分布、地幔对流、板块运动、内核生长等因素都影响或控制着地磁倒转的过程和频率,这些外部因素是否是引起地磁倒转的原因需要进一步的研究.本文简要介绍了地磁场的时空特征和形成机制,评述了地磁倒转的研究进展,并指出在深入探知地球内部信息的基础上,将地球各圈层的相互作用等因素进行统一考虑,构建综合性模型,是未来地磁场及其倒转机制研究的方向.