system: [SYSTEM]

user: 1. 天体磁场研究的现状 地球磁场对地球的生态系统具有重要的意义。地磁具有导航和定位功能，能够阻挡太阳风的袭击。地磁科学就是发端于测向、定位、航海和探矿等实用性技术。从公元前250年中国人记载指南针发明，到1600年英国人Gilbert的奠基性著作《磁学》一书问世，地磁学走过了一千八百年的初期发展阶段。英国伊丽莎白女王的私人医生Gilbert是第一个对地磁现象进行系统思考的人。他把很多离散点的地磁偏角和倾角测量数据组织在一个统一的框架之下，揭示出了“地球是一个大磁体”的科学结论 [ 1 ] 。 关于地磁的起源曾经是众说纷纭、百家争鸣，提出了十几种不同假说。但是地磁起源至今仍然没有一个令人信服的解释，因此被爱因斯坦列为“五大物理学难题”之一。例如Gilbert的“地球是永磁体”的假说就遇到了材料居里点温度的严重挑战：地壳二三十公里深度以下，温度已超过地球大多数物质的居里点，这里的物质不可能有大的剩磁。而仅靠薄薄的地壳物质的磁性，又远远不够产生观测到的地磁场。其他地磁场起源假说，诸如旋转磁效应、旋转电荷效应、霍尔效应、压磁效应等假说，也因量级太小而被否定。现在比较流行的地磁场起源理论只有地球发电机理论。它的基本思想是地球外核的导电流体在各种能源的驱动下进行对流运动，而与对流相应的电流产生磁场。也就是一个驱动能转化成流体动能，动能再转化成磁能的过程。如果转化的磁能可以抵抗欧姆耗散的话，则该磁场就可以由对流运动所维持。驱动地球核对流的能量有数种来源，其中最多讨论的是重力。在地球吸集过程中聚集的巨大的重力能转化成热能，导致地球内核熔化，形成高温高压的液核。地球形成后开始缓慢冷却，释放大量热量，从而引起液态核内物质的密度不均匀和温度不均匀。这两种不均匀性都可以驱动液核对流，进而产生地球磁场。 随着计算机数值技术的发展，地球磁场的发电机模型也发展得相对比较完善，并且进行了大量的数值模拟。文献 [ 2 ] [ 3 ] 计算了地球磁流体动力学方程的第一个三维随时间变化的自洽数值解。该方程描述了具有固体导电芯的快速旋转的球形流体壳中的热对流和磁场产生。作为地球发电机的一个粗略模拟，是一个自我维持的超临界发电机，维持了三个磁场扩散时间，大约40000年。外核内流体速度最大可达0.4 cm/s，有时磁场可达560高斯。磁能通常比维持它的对流动能大4000倍。粘滞和磁耦合到地核下面和上面的地幔都会引起它们各自自转速率随时间的变化；内核的旋转速度通常比地幔快，而地幔日长的年代际变化与地球上观测到的相似。核幔边界径向磁场的形态、振幅及其长期变化与地球相似，南北半球纵向平均温度梯度、剪切流、螺旋度和磁场的最大振幅在几千年的时间尺度上振荡。通过“磁场冻结”假设来简化方程，磁场通过流体扩散的效应可以忽略，流体携带着磁力线一起运动，使磁力线发生拉伸、变形、扭绞，反过来，磁力线的变形又影响着流体的流动。在这个流体与磁场相互作用的系统中，由极型磁场可以产生环型磁场(即ω效应)，由环型磁场也可以产生极型磁场(即α效应)，由这两种基本效应可以组合出多种发电机模型。现在，通过大型计算机对地核磁流体方程组进行数值求解，模拟地磁场演化的历史，得到了关于地磁场倒转的模拟结果。 虽然在地球发电机的数值模拟方面已经取得了巨大进展，但是，地磁场起源问题还远未解决，例如种子磁场起源的问题，地球内部的很多性质和状态也是假设的多，实际测量的少。地核的不可到达性使我们只能依靠地表附近和空间的观测资料，利用实验室模拟实验的结果去推断和猜测地核中的状态和过程。还有一系列问题严重地困扰着地磁学家：如何折衷处理不同方法估计的地核流体粘性？地核中环型磁场究竟有多大?核幔界面的物理和化学状态如何？它对地核发电机过程有什么影响？下面的固体内核和上面的地幔对发电机过程，特别是对磁极倒转有什么影响？这一系列问题给地球发电机理论带来许多困难 [ 1 ] 。 天文观察表明，旋转天体存在大尺度系统性磁场是一个普遍现象。在太阳系中，太阳、木星、土星、天王星、海王星等，都有很强的偶极矩磁场。其他遥远星球如白矮星、脉冲星等的磁场更是巨大 [ 4 ] [ 5 ] 。甚至星系、星系团等更大规模的宇宙天体，也都存在大尺度的磁场分布 [ 6 ] [ 7 ] 。银河系磁场和星系外磁场的起源也是现代天体物理学中最具挑战性的问题之一。只要进行适当的观测，就会在所有类型的星系和星系团中探测到磁场。此外，磁场也存在于宇宙红移的遥远星系中。现在人们较为普遍接受的观点是，在圆盘星系中观测到的大尺度磁场也是由αω-发电机原理来放大和维持的，其中新的磁场是通过旋转和螺旋湍流的联合作用不断再生的。相反，非旋转或慢速旋转系统中的磁场，如椭圆星系和星系团，磁场相对强度要小得多。 但是星系发电机模型本身也是不完整的，因为它不能解释作为启动发电机运转的种子磁场的起源。此外，标准的αω-发电机模型中磁场放大的时间尺度太长，无法解释在非常年轻的星系中观测到的磁场强度。 文献 [ 8 ] 把行星发电机理论用于火星磁场的分析。在介绍火星行星磁场起源的行星发电机理论的基础上，重点讨论了动力学机制、起始时间、停止的原因等关键性问题，并指出了研究中还存在的一些课题。火星发电机停止机制的假说之一是，在火星演化的早期阶段火星内部冷却得过快，没有能够形成固态内核。这样，在初期阶段基于对流运动的发电机过程可以在核内进行；而随着液态核的极其快速的冷却，液态核的温度很快就低于一个临界值。此时液态核内的热能输出只能通过热传导进行，这样液态核内就不能再进行对流了，发电机过程也就停止了。第二种解释发电机过程停止的假说其基本思想则与第一种相反，内核含有的少量的硫成份使得内核快速的生长，随着内核的快速增大，外核变得越来越薄，一直到外核的厚度不足以维持发电机作用所需要的尺寸，此时发电机过程也就停止了。 通过对大量天体的磁场观察数据分析，发现星球的磁偶极矩与角动量有很强的相关性。在很宽的数量级上成立所谓的Schuster-Wilson-Blackett关系 [ 5 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] μ L = β G 2 c ， (1) 这里μ是天体磁矩，L是天体角动量，G是牛顿引力常数， β ∈ O ( 1 ) 是一个无量纲常数。文献 [ 11 ] 当时并没有具体给出这个关系的理论根据，因此这一结果刚开始并未被普遍接受。此外在 [ 5 ] 的分析中发现，对于冷星，logμ和logL呈显著的正相关关系。然而与冷恒星相比，热星的相关性要小得多。对同系列的热星，logμ和logL甚至表现为负相关关系。在太阳系子样本中，关联与冷星的斜率基本相同。而在大尺度情况下，不同种类天体的logμ和logL仍然保持明显的正相关关系(参见 [ 5 ] 中图9)。 关于Schuster-Wilson-Blackett关系的理论解释主要有以下几种：文献 [ 13 ] 认为，在Thoms-Fermi近似下的计算表明，在一个引力场中，天体内部的每一个超致密物质单元都得到一个很小的正电荷。天体作为一个整体是电中性的，因为它的表面存在负电荷。在数量级上，正电体积电荷很小(仅10 −18 e)。但这足以解释天体磁场的发生，以及恒星质量和脉冲星的稳态值的离散谱的存在。文献 [ 12 ] 提出的解释是，函数 Φ l m = ( η / r g ) L j k R j k l m 满足Maxwell方程，可作为确定旋转重物电磁特性的函数，这里 R j k l m 是Riemann张量，它决定了物体的重力场，r g 是物体的重力半径，η是必须通过观测确定的常数。场 Φ l m 描述观察到的磁矩与角动量的相关性。也能解释了白矮星和中子星在欧姆耗散下磁场的稳定性。 文献 [ 10 ] 提出的地球磁场起源的许多建议中，比较自圆其说的是对电动力学定律作轻微的修改。电中性物质被认为是由大量的正负电荷组成的混合物，其电和磁效应通常是相互平衡的。如果这种平衡不是精确成立，而是有小的残余效应，其中包括引力和地球的磁场。在这样的假设下，我们可以期望运动的物质产生一个类似于运动电流的磁场，并且我们期望运动物质所产生的磁场与其引力作用之间有某种关系。文献 [ 14 ] [ 15 ] 则认为运动的质量能直接产生电磁感应，因此旋转的球体就相当于一个磁偶极子。