1、地球磁场起源的 3 条定律纪念AEinStein 逝世 50 年云南大学(自然科学版),2005,27(2):139141JournalofYunnanUniversity地球磁场起源的 3 条定律纪念 A.Einstein 逝世 50 年CN531O45/NIssNO2587971张世杰一,韩延本,X.Zhang3, 赵纯善,康国发(1.中国科学院国家天文台,北京 100012;2.云南大学 ,云南昆明 650091;3.JILAUniversityofColorado,Boulder,Colorado803090440,USA)摘要:从地球磁暴源探讨中,提出了一个地磁起源新观点 ,并将它总
2、结成地球磁场起源的 3 条定律关键词:地磁起源;地磁暴;磁球中图分类号:P318.12 文献标识码:A 文章编号:0258 7971(2005)02013903地球磁场起源问题困扰了整个 20 世纪的物理学家.物理学家们感兴趣的是,地磁场产生在地球内部哪个地方? 那里的物质处于什么物理状态 ?支持它的物理过程如何? 为回答这些问题 ,科学家们提出的地磁起源假说真是百花争妍,五彩缤纷.凡是可以产生磁场的已知的物理机理都已一一试过.例如,旋转磁效应,旋转电荷效应,压磁效应,霍耳效应等,莫衷一是.最近只有地核发电机理论勉强可以得到大多数学者认可.但发电机模型仍然面临 3 个基本条件:磁场,导体和运动
3、,难以完善满足.正如 A.爱因斯坦的质疑:“地球磁场是怎样产生的?它为什么能维持 25 亿年?“ 【1-5J1 地磁起源定律为了集思广益,我们从天体磁暴的电磁感应角度,试图对这一问题做普遍性研究,尝试地提出地球磁场起源的 3 条定律.1.1 第 1 定律,又称引力场约束的自由边界磁层定律在太阳引力场调制下,太阳活动源喷发物质冲击宇宙背景的低密度物质,分别在 TitiusBode距离处,形成系列日磁层.因为它们是自由边界,所以日磁层界面将随太阳活动激烈程度有一定的收缩延伸效应.20 世纪 50 年代,美国的探空飞行器越出地球环境,进入行星际空间,发现行星际磁场分成几个扇形区域,各扇形区的磁场方向
4、交替变化.这被称为行星际磁场的扇形结构 6.自此以后,关于空间磁场研究逐渐丰富起来.人们发现沿着以太阳光球(photosphere)为中心的半径延伸出去 ,在地球绕太阳公转的黄道(ecliptic)平面内,取半径为 1AU 的大圆面的旋转椭球定义为日磁层(heliomagnetosphere).因为日磁层附近空间的背景等离子体密度是磁层内部的 2 倍,且呈现极化状态,故被有序化后扇形界限模糊.磁场强度加强.1.2 第 2 定律,又称温度梯度场制约下的固定边界磁层定律行星形成以后,一般总是内热外冷式的温度场结构.如,地球核心是高粘性稠密的等离子体.它有极高的电导率.在不均匀的电导率同心界面上将有
5、电荷堆集现象.在此按静电力与内部自引力平衡原理,可以推定地核地幔之间有一层接受空间电磁感应极强的物质层71.它是维系地核发电机运转的活性导体.产生的涡流环形电流是地球固定偶极磁场的源.由此可以定义 2 个地磁球(Geomagnetosphere):1 个是以地球赤道(equator)平面与天球相交的大圆内,取半径为 10km 的旋转椭球面部分空间,也是地球偶极磁场的包络面,它的特征为半固定边界型.另 1 个是以地球地壳地幔的间隔面为固定边界的地核稠密等离子体磁球.称为?收稿日期:20041019基金项目:国家自然科学基金资助项目(1037017,40464001);云南省自然科学基金资助项目(
6、96l03M)作者简介:张世杰,男,四川阆中人,教授,国家天文台客座研究员 ,主要从事理论天体物理研究.云南大学(自然科学版) 第 27 卷地核磁球.地核磁球和地磁球都可以通过电磁效应采集固定边界外的等离子体运动能量作为补充能源.例如.太阳风能量源.在太阳系内,行星磁场的起源都十分类似.水星和金星是地内行星,而火星,木星,土星是地外行星.一般地球表面磁场约为 10T.赤道处约 3.1210T,两极约 5.010T.美国水手 10 号飞行器考查水星两极磁场约为7X10T. 分布纯为固有磁场,与地球偶极磁场相似.水星总磁矩为 1.710“A?m2.约为地球磁矩的 1/1500.金星是另一个地内邻星
7、,由于它逆向自转,磁场强度仅有地磁场的万分之一.据 C.T.罗素猜测,金星磁矩约为 0.5X10 玎 A?m2 的偶极场.美国的火花 1,2,3 号星际探测器探明地外邻星火星拥有磁矩 0.8X10“A?m2,重力观测结果是有壳层,幔层和核结构,十分类似地球.1973 年美国的先锋 11 号测得木星和土星大约有 10I3T 偶极磁场.土星磁场比地球磁场大 4 倍,但比木星小些.木星内部可能有自己的原子核裂变反应,即有内部能源.木星和土星都有一个压缩的类似岩石核心.1.3 第 3 定律,又称两磁球相互作用生成赝磁球定律日磁球与地磁球 2 个磁球相互作用是以亚稳态磁球传递感应能量,并可按限制性三体问
8、题求解.太阳光球表面的磁场极为复杂,但在足够远处,例如,1AU 处的地球轨道附近仅有强度约为1.010I4T 的偶极磁场 .设这部分磁场的场源是位于太阳中心的等效磁偶极矩 M 引起,则日磁球的这份偶极矩场源,按第一定律为足 M】/r】.按第二定律,设地磁球是一个以地球为中心,地球偶极磁力线的包络曲面为半固定边界的球体,其等效磁偶极矩为 M2,则对应的场源记为 kM#r2,偶极强度约 5.010_.T.按平面限制性三体问题8l,定义地磁暴球(geomagneticstormosphere),可以虚设磁偶极矩为 Mo,对应的赝源场记为 kM0/ro.为了讨论方便.选择地球赤道和地磁暴球的大圆都在黄
9、道平面内,即说太阳,地球,地磁暴球心都在一条直线,并取为 x 轴,坐标原点取在磁暴球中心.这时太阳? 地球和地磁暴球的三体问题方程为一.一一广 a了广 aV.广 aZi,其中,i=0,1,2 和u:一是 fMoM1+MoM2+M1M21,(2)这里=(一 Xi)+(一)+(一).(3)经过一系列参量变换后,在静态情况设磁暴球中心的虚磁矩 M.满足条件limM:0(4)时,则方程(1)可以给出第一积分,即 Jaoobi 积分C=(+M2)或规一化为=1R2一(+r2),其中 c 为积分常数 ,R=+.在上述坐标布置下R=r0=x,rl=1AUX,r2=2x,(7)1AU=1.49610l1m.限
10、制性三体位置布局如图】.2 讨论Solar?Earth?thecenterofgeo-magneticstormosphereheliomagnetospheregeomagnetospheregeomagneticstormosphereSolar-terrestrialdiStance图 1 三体位置Fig.1Positionsofthrebady在惯性坐标系中,可以视 Mo,Ml,M2 是质量与磁矩同源.据称 9,当取 M】和 M2 的质心为坐标原点,即 M1+M2=1 时,若令 M=,则 M1=11 一,且当寺,limM0=0, 且 M0 的坐标固定一“情况下,1772 年法J.L.L
11、agrange(17361813)给出方程(1)中 Mo 的 5 个运动解.因为 Mo 在旋转坐标系中静止,所以在惯性坐标系中,要随质心共转.由此可称这些解为平动解.在平面内,记为:L1,L2,L3,L4,L5.位置如图 2 所示,5 个特解位置.其中 L4(Y0)和 L5(Y0)分别与 M1 和 M2构成等边三角形,称为等边三角形解.此解在太阳第 2 期张世杰等:地球磁场起源的 3 条定律纪念 A.Einstein 逝世 50 年 141系中的木星轨道上已找到对应的稳定天体.而在Ll,L2,L3 点附近 ,至今尚未发现有自然天体.可能这些位置的天体是不稳定的.在此我们可以推测磁暴球属于不稳定
12、“天体 “,因为它在不稳定位置处.太阳暴发通过电磁感应效应向地核输送能量正是借助这种机制补充地核发电机的能耗.维持长年久期地运转.J0图 25 个特解位置Fig.2Positionsofspecialsolutions参考文献:1BLACPMS.ThemagneticfieldofrnassivemtaringbodiesJ.Nature,1947,159:658666.23456789TZUHY.UniversalconstantsinBlaekettsFormulaJ.Nature,1947,160:746747.BLACPMS.Anegativeexperimentrelatingtom
13、agnetismandtheEarthsrotationJ.Ph.1otransactionsoftheRoyalSocietyofLondonA1952,245:309-369.ZUBERMT.M_oddformagneticmysteryJ.Nature.2003.421:114120.CLEMENTBM.DependenceofthedurrationofgeomagneticpdtyreversalsonsitelatotudeJ.Nature.2004,428:637-639.AllenvonJA,FRANKLA.RadiationaroundtheEarthtoaradialdis
14、tanceof107,400kmJ.Nauture,1959,183:430-434.张世杰,文正祥,陆原.地球内部的微重力构造圈层J.云南大学(自然科学版),1996,18(3):216-220.WINTNERA.TheanalyticalfoundationsofcelestialmechanicsM.NewJersey:PrinctonUniversityPress,1947:346357.易照华.天文动力学和天体力学J.云南天文台台刊,2002,91(3):18.ThethreelawsinthetheoryoforiginofthemaingeomagneticfieldDedict
15、edtothe50thanniversaryofA.EinsteinSpassingZHANGShi-jie 一,HANYan-ben,ZHANGX3,ZHAOChunshan2.KANGGu()_fa2(1.NationalAstronomicalobservatories,AcademyofSciences,Beijing100012,Chim;2.YunnanUniversity,Kunming650091,China;3.JIUniversityofColorado,Boulder,Colorado803090440,USA)Abstract:Bymeansoftheresearchongeomagneticstorms,thethreelawsoforiginofEarthsgeomagneticfieldarepresentedtheoretically.Keywords:geomagneticorigin;geomagneticstorm;geomagnetosphere
