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行星磁場產生的原因

2024-08-30科學

地磁場產生的原因

地球內部圈層間自轉速度不同,目前地核自轉角速度大於地幔、地殼自轉角速度。

地球內部圈層差異旋轉的成因:地核和地幔地殼受到的來自太陽和月亮的潮汐作用差異造成,潮汐作用對地球的外層地幔、地殼要大於地球的內層地核。

當太陽系重力變大時,地球受到的潮汐作用變大,地球自轉變慢,地幔地殼變慢的程度大於地核,地核自轉角速度大於地幔地殼自轉角速度時,此時地球磁場為正極性磁場;

當太陽系重力變小時,地球受到的潮汐作用變小,地球自轉變快,地幔地殼變快的程度大於地核,地核自轉角速度等於地幔地殼自轉角速度時,此時地球磁場消失;

當太陽系重力繼續變小時,地球受到的潮汐作用變小,地球自轉變快,地幔地殼變快的程度大於地核,地核自轉角速度小於地幔地殼自轉角速度時,此時地球磁場為反極性磁場。

太陽系重力變化導致地球受到的潮汐作用發生變化,導致地幔地殼和地核自轉角速度發生不同步變化,這就是地磁場倒轉的原因。

木星磁極方向與地球相反的原因

木星有很強的磁場,它的磁極方向正好與地球相反,地球的S極在北極附近,而木星的S極在南極附近。

這是因為木星外層和內核自轉不同步,木星內核自轉角速度小於木星外層自轉角速度的原因。

科學家們一直以來都認為木星有一個十分堅硬的內核,應該由較重的元素構成。並且這個內核會因為與外層氣體的密度相差較大,而形成比較鮮明的界線。

在1997年,木星內核的存在經過重力測量得到證實,其質素是地球質素的12-45倍。

▲木星內核模擬圖

土星磁場產生的原因

土星有一個簡單的具有對稱形狀的內在磁場——一個磁偶極子。磁場在赤道的強度為0.2高斯(20µT),大約是木星磁場的20分之一,比地球的磁場微弱一點;由於強度遠比木星磁場微弱,因此土星的磁層僅延伸至土衛六軌域之外。土星磁層產生的原因很有可能與木星和地球相似——由外層和內核自轉不同步引起。

行星磁場產生的原因

地球、木星、土星的磁場產生的原因就像是一個「阿拉果金屬圓盤」實驗。

1824年,法國科學家阿拉果完成了著名的「圓盤實驗」。實驗中將一銅圓盤水平放置,在其中心正上方用柔軟細線懸掛一枚可以自由旋轉的磁針,如圖所示。實驗中發現,當圓盤在磁針的磁場中繞過圓盤中心的豎直軸旋轉時,磁針也隨著一起轉動起來。

▲阿拉果「圓盤實驗」圖

地球金屬地核、木星金屬內核、土星金屬內核就相當於是阿拉果「圓盤實驗」中的金屬圓盤。

當地球地核、木星內核、土星內核與外層不同步運動時,就相當於金屬圓盤旋轉,產生磁場;

當地球地核、木星內核、土星內核與外層同步運動時,就相當於金屬圓盤不旋轉,不產生磁場(這就是地質歷史上地磁場消失的原因);

當地球地核、木星內核、土星內核相對於外層自東向西運動時,就相當於金屬圓盤反向旋轉,產生倒轉的磁場(這就是地質歷史上發生的地磁場倒轉,木星磁極方向與現在地球相反)。

這是因為阿拉果「圓盤實驗」中的銅圓盤是具有自由電子的,而地球金屬地核、木星金屬內核、土星金屬內核也是具有自由電子的(金屬具有自由電子),而自由電子的運動產生磁場,就像通電直導線和通電螺線圈中電子的運動產生磁場。

行星的金屬內核就像是一個巨大的阿拉果銅圓盤,當它與行星外層自轉不同步(角速度不同時),產生行星磁場。

行星金屬內核是一個球體,把它垂直於自轉軸切片,切片,再切片……就得到很多巨大的阿拉果金屬圓盤。

這就是行星磁場產生的原因。