变化的木星磁场，诉说着行星的哪些奥秘

几天前，美国宇航局研究小组在《自然天文学》在线发布的一项新发现表明，木星的磁场将随着时间而变化。这是科学家第一次明确探测到地球外天体磁场随时间的变化。

行星磁场是如何形成的？地球和木星磁场的变化模式相似吗？研究木星磁场对我们理解地球有什么意义？

地球内部可能有“发电机”。

在太阳系中，除了火星和金星，所有六个行星都有磁场。

行星通常有三种磁场:固有磁场(行星内部自发产生、维持和变化的磁场)、感应磁场和剩余磁场。“感应磁场通常是指由外部磁场或电流的变化在行星内部的导电区域中感应的磁场。残余磁场是冷却过程中岩石或其他物质保留的磁场，在低温下可以长期存在。”中国科学院上海天文台研究员孔大力在接受《科技日报》记者采访时说。

内在磁场是如何形成的？最早的解释是“永磁理论”。人们相信地球上有巨大的磁铁。“然而，地球内部温度超过6000摄氏度，而矿物的居里温度通常是几百摄氏度。当磁铁被加热到居里温度以上时，磁性消失。所以很明显，地球内部没有这样的磁铁。”中国科学院地质与地球物理研究所副研究员荣告诉《科学日报》。

爱因斯坦在100多年前提出，行星磁场的形成是一个难题，至今尚未解决北京大学地球与空间科学学院的宗秋刚教授在接受《科技日报》记者采访时表示，在各种假设中，学术界认可了“磁流体发电机”理论。

“根据发电机理论，地球的核心是液体。这些液体非常热，可以熔化几乎所有的物质。带电物质流动时产生电流，从而产生磁场。电流越大，产生的磁场就越强。”宗秋刚解释道。

地球磁场正在衰减

孔大力告诉记者，行星发电机运行必须满足三个条件:第一，行星内部有导电流体；第二，地球内部有足够的热量或化学能来维持强对流；第三，地球需要旋转得更快。

“所以，有些行星有磁场，有些行星没有磁场。例如，地球和水星有熔融铁和镍金属的外核，有强烈的对流和旋转，所以它们有磁场。木星、土星、天王星和海王星有导电的金属氢层、强对流和快速旋转，所以它们也有强磁场。火星内部的大部分物质可能已经冷却并固化。金星旋转太慢，这可能是它们没有磁场的原因。”孔大力说道。

一般来说，行星的大小越大，旋转越快，固有磁场就越强。因为体积越大，核心越深，带电液体承受的压力和温度就越大，熔化的物质越多，磁场就越强宗秋刚说。

对于行星环境来说，磁场非常重要。“磁场可以防止太阳风直接撞击地球表面。磁场可以“锁住”大气和水。”宗秋刚说，磁场的研究也可以推断行星演化的历史。这是因为磁场周围有磁感应线。当带电的岩浆被喷出时，它会在磁场的方向上排列。当岩浆冷却并凝固时，它会保持当时的磁场形态。

如果地球没有磁场，人类将暴露在强辐射下，无法生存。“在过去的100年里，地球的磁场正在慢慢减弱。将来有一天，地球磁场会消失，变得像火星一样吗？”荣赵晋说，通过各种各样的谜题，科学家们正试图从其他星球寻找答案。

多重扰动影响下的木星磁场变化

美国国家航空航天局的科学家将之前木星观测任务“先锋10号”、“先锋11号”、“旅行者1号”和“尤利西斯”的数据与木星磁场的新模型“JRM09”进行了比较。他们发现，从先锋号宇宙飞船提供的第一个木星磁场数据到朱诺号提供的最新数据，木星的磁场确实在变化。“40年的密切观察为我们提供了足够的数据，”朱诺号科学家吉米·摩尔说。

是什么导致了木星磁场的变化？研究小组通过计算发现，大气环流的影响可以很好地解释木星磁场的变化。“木星表面有带状大气风，最初是中性的。当接近行星内部时，由于温度和压力的增加，中性大气风逐渐电离，从而带电。带电的大气风和磁场将相对移动，并在此过程中产生额外的感应电流和磁场。这些额外的电流和磁场会影响原始磁场。”荣赵晋说，通过计算大气风速和磁场的影响，吉米·摩尔可以得到木星磁场的变化，并发现计算结果与卫星观测和分析基本一致。

然而，让荣担心的是:这是唯一能解释木星磁场变化的大气环流方法吗？"磁场的产生是一个整体效应，是所有电流源的结果."荣直言不讳地说，在研究木星磁场变化的因素时，必须考虑磁层电流和磁层顶电流等外部电流的干扰，以及发电机电流随内部磁场的变化。

据报道，大气环流、磁流体发电机和其他因素都会影响木星的磁场。“由于我们对木星的早期观测较少，而且木星观测困难，根据现有的数据和模型，很难真正严格区分是哪个因素导致了木星磁场的变化。”荣赵晋说:

或者可以揭示地球的未来

这一发现的一个重要意义是木星的大红斑可能会受到磁场变化的影响。“观察发现，大红斑正在缩小。如果当前磁场发生变化，木星的大红斑可能会消失。”宗秋刚说。

然而，科学家们实际上早就预料到了这一发现。“通过磁场的长期变化来研究磁流体力学特性是研究行星发电机的重要手段。这种研究方法已在地球上广泛使用，其在木星上的应用得益于几十年的深空探测对木星磁场的连续测量。”孔大力说道。

荣还表示，随着欧洲航天局(欧空局)木星冰卫星探测器(JUICE)计划和更多的木星探测计划的推进，木星磁场的神秘将被一层一层揭开。

了解木星的磁场可以帮助我们了解木星的内部结构。“由于我们无法深入探测木星，我们可以通过研究磁场在一定程度上诊断内部结构，这与通过重力场了解行星内部是一样的。”荣赵晋说:

孔大力说，地球和木星的磁场变化在物理上是一致的。然而，从磁流体力学的角度来看，地球和木星之间在热量、物质和传导率的分布上有很大的差异，因此发电机的类型是不同的。此外，与木星相比，地球的大气基本上是不导电的，所以大气环流对地球磁场的影响不是那么强烈。

虽然地球和木星的磁场不同，但是研究木星的磁场对理解地球磁场有很大的好处。“因为地球在形成的早期阶段与木星相似，是一颗气态行星。了解木星的磁场有助于揭示地球磁场的演变历史和趋势。”荣告诉《科学日报》，“这是比较行星学的价值。研究火星、金星和水星的最终目标是了解地球的演变和宜居环境的形成，从而了解生命的起源和人类未来的命运。”