地球磁場是怎樣產生的？火星的磁場為什麼會消失？

他是最受媒體歡迎的科學家，也是會寫詩的天文學家，儘管工作任務極為繁重，仍堅持以極大的熱情投身科學傳播，他就是張雙南研究員。

我們特別收集整理了「悟空問答」上張雙南研究員對部分提問的回答, 與您共享科學。本文為張雙南問答系列第十二則。

如果您有問題，可以在「悟空問答」提問。或者留言提問，小編代為轉發。由於科研任務繁重，張雙南研究員會在方便的時候挑選一些問題回答。

張雙南

— 研究員 —

張雙南，中國科學院高能物理研究所研究員，中國科學院粒子天體物理重點實驗室主任。研究領域為黑洞、中子星、宇宙學和空間天文。天宮二號「天極」伽瑪射線暴偏振測量項目、「硬X射線調製望遠鏡」衛星項目以及若干大型國際合作空間天文項目首席科學家。

入選國家傑青、長江教授、「千人計劃」。獲「趙九章優秀中青年科學獎」、義大利Ferrara大學「哥白尼科學家獎」。

網友提問

1、地球為什麼會有磁場？地球磁場是怎樣產生的？

2、火星的磁場為什麼會消失？地球磁場會不會也消失？

1、地球為什麼會有磁場？地球磁場是怎樣產生的？

最簡單的回答是：不知道！

目前地球磁場的構型如上圖所示，其磁極的南北極方向和地球的自轉軸的地理南北極不完全重合，而且在地球的歷史上南北磁極出現過多次的倒轉，也就是南北極互換。但是地球磁場的起源仍然是地球物理學的重大未解之謎之一，由於這不是我的研究領域，我不清楚目前最新的研究進展，只能介紹一下所謂的「主流」理論模型，也就是所謂的「發電機機制」，而這也被認為是大部分天體，比如太陽、恆星和太陽系內其他有磁場的行星的磁場的起源的主要機制。

「發電機機制」的主要原理是基於地球的內部結構，也就是地球的核心（稱為「地核」）裡面有高溫的導電流體，地核的冷卻主要是靠和地幔的對流，這樣就產生了運動的導電。假如地球內部一開始有微弱的「種子」磁場（比如局部的微弱電流就可以產生局部的微弱磁場），導電的流體隨著地球的轉動就會和「種子」磁場作用，類似於通電的線圈在永久磁鐵中的相對運動，根據法拉第電磁感應定律將會產生感應電流，如上圖的螺旋所示，這個過程類似於發電機，所以稱為發電機機制。而電流環又如上圖所示會產生產生磁場（電磁鐵的磁場就是這麼產生的），最終就形成了地球的偶極磁場結構。由於這個過程需要局部微弱電流產生的「種子」磁場，所以這個機制也被稱為「自激發發電機機制」。

至於地球的磁場的長期演化以及為什麼會倒轉，目前也沒有徹底解決，但是肯定和地球內部的結構的形成和演化有密切關係。隨著人們對於地球內部結構的進一步研究，相信最終會徹底揭開地球的磁場的起源和演化之謎。

2、火星的磁場為什麼會消失？地球磁場會不會也消失？

我前面的回答簡單地解釋了地球磁場起源的一種最流行的「自激發發電機機制」，而這個機制被認為是宇宙中大部分天體的磁場產生的最主要機制，因為所涉及的物理過程就是標準的麥克斯韋電磁場（波）理論，而所應用的天體也的確有這個機制發揮作用的結構和環境。但是如果用到火星，就還得解釋火星的磁場為什麼比較快的消失或者變得非常弱了？

同樣，由於這不是我的研究領域，我也不清楚目前最新的研究進展，只能簡單介紹比較流行的所謂「主流」模型。既然產生磁場的罪魁禍首就是天體的自轉、內部有導電的高溫流體以及微弱的「種子」磁場這三個條件，那麼我們可以看看這些條件目前火星還有沒有？首先，火星還在自轉，而只要內部有高溫的導電液體，就會產生「種子」磁場，就會通過發電機機制最終產生大尺度的磁場。所以最大的可能就是火星內部也許以前有的是現在沒有高溫的導電液體了，而則極有可能是火星內部冷卻導致其高溫導電液體變成了固體，無法繼續產生對流，當然發電機機制就停止運行了。如果這是火星磁場消失的原因，那麼地球內部的冷卻最終也會導致這樣的後果，使得地球磁場消失，只不過地球的質量是火星質量的大約十倍，內部的高溫導電液體要多得多，所以冷卻就會慢得多。

最近有些學者提出了另外一個機制，火星的磁場是由於它和圍繞它運行的一個小行星的相互作用產生的，這個小行星的引力誘發了火星內部的導電液體的流動，使得發電機機制工作。但是後來這個小行星最終撞擊到了火星上，火星失去了這個伴侶之後，內部的導電液體就逐漸停止了流動，磁場也就逐漸消失了。如果這是火星的磁場產生和消失的機制，而由於地球的磁場很顯然不是這樣產生的，地球的磁場也許就不會消失，至少不會像火星的磁場那樣迅速消失。

因此，深入理解地球和火星的磁場的起源和演化機制異同，對於我們理解地球未來的命運是很重要的。

張雙南問答

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