地磁场，美妙的磁流体动力学

原标题:《地磁场低情商:一块条形磁铁，高情商:奇妙的磁流体力学~》。

为什么地球会有磁场这个问题问得好地球确实是一块磁铁，尽管它很弱好的冰箱贴比它强200倍作为一个非常粗略的近似，你可以把地球磁场想象成一个位于地球中心的条形磁铁它与地球的自转轴大致重合，但倾斜了约11度这个条形磁铁的南北轴与地球表面相交的点称为地磁极由于磁轴的倾斜，地磁北极和南极与地理北极和南极不在同一位置

我们想象中的条形磁铁的南极指向地球的北方，而它的北极指向地球的南方这就是为什么地球北方的地磁极实际上对应的是磁南极，而地球南方的地磁极对应的是磁北极

对两极来说，这还不是全部因为条形磁铁的图像只是一个近似值，地磁北极和南极的图像只是地球磁场真实磁极的近似值真正的磁极是地球上磁力线垂直向下的点与地理上的南北极和地磁上的南北极不同，真正的磁极并不是相互面对的，但它们也是相互独立运动的目前，北极的磁极似乎正以每年45公里的速度向西北方向移动此外，地质记录显示，地球磁场甚至可以逆转上一次发生这种情况是在大约78万年前

2017年磁北极和地磁北极的位置与地理北极一起显示在地图上图:Cavit，CC BY—SA 4.0

磁场从何而来。

没有人知道确切的答案，但公认的理论是地球像发电机一样工作要理解这是如何工作的，你首先要记住一些你可能在学校学过的物理知识当你在磁场中移动导电材料时，材料中会产生电流这个过程叫做电磁感应这个过程也发生在给自行车灯供电的发电机上相反，电流也能产生磁场

地球有一个固体内核，大小和月球差不多，但温度和太阳表面一样高内核被液态的外核包围，外核主要由可以导电的铁水组成地球深层发生的各种过程导致液态外核不断运动

为了理解发电机理论，我们可以先假设有一个磁场不用担心这个磁场从何而来，因为我们只需要它来启动地球发电机当导电液体外核在磁场中移动时，其中会产生电流由于地球的自转，这些洋流呈螺旋状排列

这些电流又会产生自己的磁场，增强原有的磁场，从而使地磁场演变成我们今天看到的样子由于液体外核不断对流，不断产生电流，磁场可以长时间维持自身因为液体外核的运动是复杂多变的，磁场的行为也是非常复杂的

上面的讨论给出了发电机理论的轮廓，但细节远非简单为了真正理解发生了什么，为了计算地球磁场的确切形状并预测它将如何演变，你需要将描述流体运动的数学与描述电磁的数学结合起来人们做到了，并且提出了一个有着美丽名字的理论——磁流体力学

这个理论不仅可以用来描述地球磁场，还可以用来描述其他行星和恒星产生的磁场了解这些磁场可以告诉我们很多信息，比如天体的构成，以及它是如何与环境相互作用的磁流体力学在地球上也很有用:它可以帮助我们制造液态金属电池和更清洁的发电厂，甚至可以帮助临床医生使用磁场将癌症药物导向肿瘤

但是，这里有一个问题磁流体力学的中心方程通常很难求解要解决这些问题，你要么需要简化它们，要么依靠复杂的方法来提供近似解，这通常需要大量的计算资源目前大量活跃的研究方向集中在推进理论和改进求解方法上，而在这个过程中也考虑到了实验观测结果，比如对地球外行星和恒星磁场的观测

与多米在牛顿科学数学研究所合作的乌尔里希·克里斯滕森说，当然，我们都知道技术发电机，但它们的工作原理只是因为电线和滑动触点等组件的复杂组合地球的铁核是一个无结构的流体球，更难理解如何在这样的系统中产生磁场

我们为什么关心这个。

地球并不是唯一具有发电机行为的天体太阳系的其他行星也有磁场，就像太阳和其他遥远的恒星一样太阳磁场决定了我们星球感受到的空间天气——这包括诸如南北极光这样的美丽现象，但也包括诸如太阳耀斑这样的危险现象太阳耀斑是太阳发出的粒子爆炸，可能会对低轨道卫星造成威胁，因为它们的电子设备非常敏感，克里斯滕森说如果我们能够更好地了解太阳耀斑的成因，也许有一天能够预测它们，我们就可以节省大量开支

令人兴奋的是，外星人甚至在这个故事中扮演了角色因为恒星的磁场往往可以决定一些围绕它运行的行星的状况，所以可以预计，磁场将有助于我们在未来找到宇宙其他地方的生命

现在正是时候。

首先，对行星和恒星磁场的研究是基础科学的一部分，是我们揭开宇宙奥秘的尝试现在是专注于这个研究领域的好时机在过去的几十年里，新技术，如目前围绕木星运行的朱诺飞船，提供了前所未有的丰富的磁场信息，预计在不久的将来会有更多的信息

这些数据不仅提供了行星和恒星磁场的重要统计数据——它们的强度和整体形状——还为它们背后的理论提供了基础以太阳磁场为例，它每11年改变一次方向INI项目的另一位联合组织者马修·布朗宁表示，我们仍然没有详细的理论理解，为什么这种情况会发生在这个时间尺度上，为什么不是20年，100年或5年

太阳是研究‘发电机’理论的绝佳实验室，但却是你无法控制的实验室例如，我们不能让太阳旋转得更快对其他恒星的观测可以在一定程度上弥补这一不足，揭示不同转速或明暗程度的恒星磁场的异同在过去的十几年里，海量数据为人们如何在不同的恒星上建立不同类型的磁场模型提供了强有力的约束，这也在一定程度上为我们了解太阳如何建立自己的磁场提供了指导

一般来说，观测表明，行星和恒星的磁场特性可能有很大不同INI试图解决的一个关键挑战是试图解释这些差异

模型和模拟

像任何物理理论一样，描述天体和地球的发电机模型的理论是基于数学方程的这就是上面提到的磁流体力学导电流体的行为，比如形成地球外核的液态铁，以及它们产生的磁场，都需要用这个理论来描述

磁流体动力学等一类理论允许人们建立数学模型，描述地球或其他行星和恒星的发电机行为然后，这些模型可以用于建立磁场的计算机模拟，从而为人们提供一种将理论与观测进行比较的方法如果模型很好的把握了相关的物理过程，那么模拟的磁场应该和我们在现实中观察到的差不多如果模拟结果与观测结果不一致，那么我们就可以知道模型缺少了什么如果模拟产生了现实中观察到的现象，那么就有可能找出模型的哪一部分产生了这种现象，这可以提供关于正在起作用的物理过程的线索

克里斯滕森说，在过去的一二十年里，我们看到了大规模模拟的巨大进步通过这样的模拟，我们可以解释地球磁场的许多属性——不仅可以解释为什么它乍一看像一个条形磁铁，还可以解释它如何随时间变化，它的合适尺度是什么，以及为什么它偶尔会反转方向我们对恒星磁性的理解不是很深，但我们当然可以期待在这个方向上取得更多的进展借助直接数值模拟和新的观测，这是一个快速发展的领域

混沌挑战

尽管取得了这些成就，但仍有许多问题有待解决但当你从远处看土星，木星或地球的磁场时，你看到的只是一个稳定且偶尔反转的条形磁铁的磁场问题是，如此复杂混乱的过程，怎么可能创造出如此稳定简单又无处不在的东西

行星和恒星内部过程的混沌特性也阻碍了计算机模拟当系统出现混沌时，即使是发生在很小范围内的事情，也会影响系统的整体行为世界上没有一台超级计算机能够完成所有必要的计算，以确保不同规模的过程能够在模拟中得到反映

这个计算问题也引出了一个数学问题:一般来说，没有一个简洁的公式可以给出MHD方程的解事实上，我们甚至不确定本文中出现的所有方程是否都有解这就是为什么纯数学在这个领域非常重要数学的发展是必要的，多米说只有测量，观察或数值模型是不够的人们需要对正在发生的事情有一个理论上的理解，而这取决于技术的数学发展

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