行星磁場的形成

資料來源
60-05
文/龔慧貞

太陽系的自太陽本身到行星及較大的衛星大多都觀察到有磁場(現今的金星及火星已無磁場或殘餘部分磁場)。地球磁場的存在除了可幫助導航外,在地球高空(電離層以上)形成磁層,其更形成磁力線敵擋來自太陽風的高能粒子,降低這些高能物質對地球生物的輻射傷害。

 地球磁場-發電機理論(dynamotheory)


地球為什麼會有磁場?在1940年後期物理學家W.M.Elsasser提出一個「發電機理論」,那時已經知道地球有液態的外核,他表示要誘發磁力線的產生,需要三個條件:(1)大量可導電的金屬液體,如熔融的鐵液(2)地球的自轉(3)熱與化學成份的對流作用。大家都知道越往地球內部溫度愈熱,外部較涼,因此基本上地球內部會有熱對流產生,也就有物質的傳遞,但鐵鎳合金的成份會隨著溫度的改變而改變,因此它的化學成份也有變化,也會造成對流的現象。金屬液體對流加上地球自轉所產生的科氏力形成捲狀的電流,如圖1,會進而誘發磁場。


圖1. 地核發電機理論模型。(圖片取自維基百科)

仔細看圖中的磁力線,地核裡的磁力線其實還蠻複雜的,但我們在地表看到的磁力線就是從磁南極指向磁北極的封閉曲線,符合現在對地磁的觀察。

近2000年時法國國家科學中心利用一個大型圓筒狀儀器,內裝有150公升的液態鈉,圓桶兩端轉不同方向模擬地核旋轉,直到2006年在高溫、高速旋轉中第一次看到誘發出的磁場,並且有趣的是,每隔一段時間,誘發的磁場磁極方向會改變。在1995年地球物理學家GaryA.Glatzmaier與PaulH.Roberts便提出了理論模型(Glatzmaier―Robertsmodel),並利用電腦模擬重建地球磁場的強度、磁極特性及自發性反轉。這些實驗與電腦模擬的結果,基本上跟我們在地球對地磁的一些觀察是有關連的。第一個,有些人會把地球的磁場想像成一根磁棒,其實不是這樣的概念,將地球磁極想成磁棒會有個問題――它無法解釋磁極漂移的現象。我們的磁南極與磁北極每過幾年就會變換方向、位置,而且它們兩者移動的方向、位置是不一樣的,如圖2,左圖是北半球從20世紀初一直到2005年所測量的磁極位置,它是從加拿大往蘇俄方向偏移,而且速度是越來越快;而在南極(右圖),磁極基本上就在南極洲附近,位移的速度跟距離不如北極這麼快,因此,磁棒的概念很難解釋這樣的現象,發電機理論產生的磁場較能容易解釋觀察的結果。

還有另一個是觀察中洋脊附近噴發的玄武岩的磁性礦物,這些礦物會記錄當時噴發時地球磁場的方向,發現某些地質時間其磁場方向跟現在一樣,有些時間則是跟現在呈相反方向,地磁磁極在轉換的時間是非常短暫的,並沒有地質記錄是看到磁極介於0∘到180∘之間,都是馬上變換(從千年到百萬年之內),若是磁棒的概念,磁極要旋轉基本上會記錄到不一樣的方向,不會只有0∘或180∘,所以前面那些實驗、發電機的概念及地球液態核的觀察是可以幫助我們解釋這些地磁的觀察。


(圖片來源:英國地質調查局British Geological Survey,BGS)

雖然現在我們對地球磁場有了一些定性的理論,但以下的現象仍需有進一步地解釋。例如:像磁極漫遊是如何移動、它真正的機制,另外還有磁場區域性的變化,譬如最近我們一直在討論磁極磁場一直在變弱中,是否代表它要反轉?這也是有些人在擔心的。第四點是地磁反轉及非週期性的問題,圖3是地磁磁場方向的紀錄,黑白部分代表與現在磁場同方向及不同方向,圖上標明的中生代是指恐龍主宰地球的時候,可以發現那時地磁反轉的次數沒那麼高,而新生代(靠近現代)地磁反轉的次數相對於中生代是非常頻繁的,這現象要怎麼解釋?這些都是現在科學家要試著去回答的問題。


圖3. 地球地磁方向(與現在地磁方向比較)與時間的關係
(圖片來源:由Chris Rowan繪製,筆者重繪)


 太陽系行星磁場


太陽系的演化使得我們的行星化學成分以小行星帶被分為兩種不同的群組,靠近太陽的行星稱類地行星,它們跟地球類似,都屬於石質的化學成分;而小行星帶外面的行星稱類木行星,與類地行星不同,它們的化學成分主要為氫、氦等元素。類地行星中已知地球有已鐵合金為主的金屬核因為地球內部的溫度壓力使其在所謂「外地核」深度使鐵合金呈熔融狀態在「內地核」深度呈固態(圖4)。其他的類地行星也被認為有以鐵合金為主的金屬核所以生成磁場的機制是跟地球相似。用已知的觀測如果把地球磁場訂作1,剩下的類地行星的磁場都很弱或接近0;而類木行星很有趣,木星磁場球度約為地球的19520倍,土星磁場約為地球的578倍,其它大約在20-50倍間。地球有個熔融的金屬核自轉,那類木行星產生磁場的機制是什麼?氫跟氦或是如何產生磁場?


圖4. 鐵的相圖。圖中希臘字母代表鐵的結晶結構不同。
(圖片來源:由Soderlind(1996)等人繪製,筆者重繪)


圖5是氫的相圖,描繪氫在不同溫度、壓力下的狀態與結構,氫在常溫下是氣體,高溫或高壓下有了不同的狀態。液態氫與固態氫是我們在日常所知的狀態可是從圖上可看到,到了非常高溫、高壓的時候氫變成了液態「金屬」氫,稍微低溫一點則得到固態金屬氫。其實,當用氣體形容氫的型態時,我們都是用地球表面的觀點,但如果氫是在極度高溫、高壓(如類木行星)的狀態下,這些一般人號稱「氣體」的元素也都可以變成了金屬。圖中綠斜線代表土星/木星內的溫度梯度,可看出氫在土/木星較深處是液態金屬的狀態。


圖5. 氫的相圖。綠斜線代表土/木星內的溫度梯度。
(圖片來源:由Silvera(2017)等人繪製,筆者重繪)


而據我們所知,天王星和海王星內部有很多固態冰(H2O),大家都接受水有氣態、液態、固態,而最近從高溫高壓實驗發現,H2O在非常高溫高壓時會變成「超離子態」,此時「水」還是H2O,但是一個三度空間的結構,氫可以在氧原子之間游走,變成可以導電的狀態。其實不管是金屬氫或水的超離子狀態,在30、40年前理論就已預測有這些狀態存在,但我們做實驗的人到現在才看到。氫、水在高溫高壓下變成可以導電的狀態,加上這些行星也是會自轉,因此這些較輕的類木行星的磁場機制跟地球是很類似的,只是成份不同。圖6是幾個類木行星內部的構造,基本上它們還是有一個小小、石質的核,不過土星或木星外面大部分為液態或金屬氫,這取決於它們的壓力大小。而天王星跟海王星都有冰核,這些冰核基本上都是超離子狀態。這些都是最近從實驗得知,這些物質在高溫高壓下可以呈現這些狀態,幫助我們去推測其它行星磁場形成的原因。


圖6. 類木行星的內部構造
(圖片來源:https://www.astronomynotes.com/solarsys,筆者改作)


 結論


太陽系行星磁場的形成機制基本上是跟自身的自轉及行星內部存在有能對流的金屬液。這所謂發電機理論,是可以用來解釋地球上的地質/地球物理觀察及用實驗來展示其可能性。行星地質學家更以高溫高壓實驗探討現類木行星內部狀態及其動力行為。
 

 參考文獻
Silvera et al. (2017) Metallic hydrogen. Journal of Low Temperature Physics, 187, 4-19.(https://link.springer.com/article/10.1007/s10909-017-1748-4

Soderlind et al. (1996) First-principles theory of iron up to earth-core pressures: Structural, vibrational, and elastic properties. Physical Review B,53(21):14063



龔慧貞
國立成功大學地球科學系