地磁场起源 origin of the main geomagnetic field
地球物理学的基本问题之一.自1600年英国的吉伯(W.Gilbert)提出“地球是一个巨大的磁石”开始,有关地磁场起源的推测已有近400年的历史,但至今仍未获得圆满解决.
简史 地磁场的主要部分犹如一个近似沿自转轴方向均匀磁化的球体的磁场.因此“永久磁石说”就成为地磁场成因最早和最自然的猜测.当地球物理学家提出地核可能是由铁、镍等强磁性物质组成的时候,这种猜测似乎得到了支持.然而地球内部的温度远超过铁的居里点（见岩石磁性）,所以这个假说不能成立.继而有人曾企图借助于带电地球的旋转、回转磁效应、温差电流以及感应电流等物理效应来解释地磁场,但其量值都远远不够大.例如根据回转磁效应,地球由于自转获得的磁化强度约为10-10电磁单位,比与地磁场相当的均匀磁化球体的磁化强度7.2×10-2约小 9个数量级.鉴于从已有的物理规律找不到答案,有人开始探索新的规律.1947年英国物理学家布莱克特（P.M.S.Blackett）发现,当时测定的太阳、室女星座78号星和地球 3个天体的磁矩M和角动量P满足关系,其中G为万有引力常数,c为光速,β为比例常数,约为0.25.布莱克特把这个关系设想为物理学的一个新定律,作为地磁场起源的解释,称为“巨大转体说”.由于有 3个天体的支持,这个假说曾一度引起广泛的关注.为证实这一结果,布莱克特专门设计了一种测弱磁场的高灵敏度仪器,但实验结果是否定的,所以布莱克特本人声明放弃他的假说.
与上述各种推测同时出现的是“自激发电机说”.1919年拉莫尔（J.Larmor）首先提出了旋转的导电流体维持自激发电机的可能性,这是关于地磁场起源的自激发电机说的最早概念.而较为系统的论述,则是40年代末和50年代初由埃尔萨塞 (W.M.Elsasser)、帕克(E.N.Parker)和布拉德(E.C.Bullard)等人完成的,称为埃尔萨塞－帕克模型和布拉德过程.随着大型计算机的应用,使更复杂的磁流体动力学的计算成为现实.60年代后期发现,布拉德过程是不稳定的.这使得曾被认为极有希望的“自激发电机说”陷入了危机.直到1970年,利利(F.E.M.Lilley)修正了布拉德过程的运动模式,才使得稳定的“自激发电机说”再度有了可能.60年代古地磁学的数据肯定了地磁场在漫长的地质时期经历了多次倒转的事实,地磁场极性的正向与反向的历史并没有显示出哪种极性更具有特殊性.这是除“自激发电机说”以外,其他关于地磁成因的假说所难以解释的.地球具有磁场在天体中并不特殊,太阳系九大行星中至少有木星、水星具有与地球磁场相类似的内源磁场.太阳和许多恒星也具有磁场.60～70年代帕克的研究说明,地磁场起源的模式可能对其他天体也适用.据此,人们现在认为“自激发电机说”是解释地磁成因的最有希望的理论.
原理 地核内磁流体动力学的研究思路是导电流体和磁场的相互作用如何改变原始的磁场和运动状态,这是“自激发电机说”的基础.
导电流体和磁场的相互作用,在数学上也就是电磁场方程与流体运动方程的耦合.在磁场中运动的导电流体,根据法拉第电磁感应定律,将在随流体运动的回路里产生感应电动势.若导体是电导率为无穷大的理想导体,感应电流将为无穷大,这显然是不可能的.如果任意运动回路中的磁通量不变,磁力线必然随流体一起运动,犹如磁力线与流体牢固地粘在一起.这个现象称为磁场的“冻结”效应,即磁场与流体完全冻结起来.这时磁场所满足的方程称为“冻结方程”.当流体的电导率为有限时,除不断有焦耳热损耗外,磁场还将不断由强的区域向弱的区域扩散.因此在一般情况下,导电流体中的磁场既受冻结效应的控制,又将不断扩散.这时满足的方程称为“扩散冻结方程”.冻结和扩散两种效应,除与电导率（λ）有关外,还与流体的速度（v）和尺度 (L)有关.在电磁流体力学中,定义无量纲常数为磁粘滞系数.RM>>1时,流体中冻结效应将是主要的；RM