什么是对流磁场

如果说地球并不是条形永磁体，那么地磁场是从哪里来的？形成磁场的一个方法是用电流，发电厂里的发电机通过旋转磁场中用蒸汽或水带动的一个导电体来发电，地核里的情况也是如此。20世纪 50年代出现一种理论认为，地核是一台“自励型发电机”，并产生自己的磁场。

通过磁场线的熔融导电，外核的流动产生电流，形成一个磁场，因而产生更多的电流和更强的磁场。对流传热促使地核流动，外核的热量到了上层地幔而消失，于是，较冷而密度更大的区域下沉，而更热、密度较小的区域上升。

另外地球运转为对流循环增加了一个运动，这就是为什么转动极和磁极差不多相符的原因。地核的导电性和对流循环的速率及模式决定了地磁场的强度。这一模式的引人注目之处，就在于它解释了延续几世纪的种种不同的说法，这种种说法可理解成正是这些运动的反映。

但是简单的自励型发电机不能解释两极倒转的原因。我们怎么知道两极倒转了呢？火山岩和某些水下沉积物显示了这一过程，并保存了这些倒转的记录。当熔岩经过“居里点”而冷却时，获得残余的磁化，也可以说是岩石“记录了”磁化。

这是因为岩石中的磁矿石颗粒（最常见的是磁铁矿）自动指向东，与地磁场方向平行。当磁性沉积物颗粒在海底集聚和在沉积堆中重组过程中自动指向东，水下沉积物便发生原生磁化。古磁学记录给予处于未成熟阶段的板块结构理论关键性的支持，因为磁化岩石的指向性经过一定时间可追踪到大陆漂移，因而也追踪洋底的演化情况。

到了 20世纪60年代，磁体倒转的记录仍然是个谜，那时候地球化学家已经发明了钾- 锤测年法。这一方法对测定较晚的火山岩（不到500万年）特别有用，而用其他方法就不太合适。

由于地质学家测量了越来越多的岩石磁极性和年代，他们开始意识到，不管这些岩石处于什么位置，同一年代的岩石始终具有相同的磁极性。所以地质学家就有可能确定一个地磁极性的时标——正常和倒转期的短期记录。

这一记录显示地磁场的极性变化没有规律，时间间隔可达3万〜1000万年之久。通常这种无规律的变化每数万年出现一次，方向倒转一次也许要花几千年。研究过的岩石差不多有一半是在与现代地磁场相反的方向上磁化的，这说明正常的和倒转的磁场同样都有可能=这就明显产生几个问题，而且一定与地磁的起源有关：在磁场倒转时到底发生了什么？磁场是逐步消失后又在相反方向生成的吗？它是迅速移动和再生的吗？它从地球的一边到1995年，加里•格阿拉兹梅厄和加利福尼亚洛杉矶大学的保尔•罗伯兹对地核对流和地磁场作了计算机模拟描述。

这些“实验”都是三维的数字模拟。首先其方程式都描述了地核主要力、能量和磁场。这些方程式都包含了像密度、方向和运动速度，以及磁场的方向和强度这样一些变数。它们穿过地核时的特点和变化方式都不得而知，对此都要作出估计。

其次地核被分成几百个小部分，或称“单元”。这些方程式能描述出一个单元性能与邻近单元性能的相关情况。所有单元的性能事先就确定了的。例如地核顶部的所有单元可定下一个温度，而底部所有单元确定另一个更高的温度。

由于一个单元的性能影响其相邻单元的性能，每个单元的性能都随时间变化而变化。经过足够长的时间后，计算结果表明了系统的演化情况，是不是具有地磁场的性能1也许有人认为，计算机要求的条件很多。在1995年的模式中，由200万时间跨度代表了 4万年以上的“模式年”。

这等于百万的二次乘方，需要当时最大的一台计算机工作2000个小时。格阿拉兹梅厄-罗伯兹模式成功地再现了地磁场延续几世纪的变化。这一地磁场变化与从自然界所观察到的变化类似，而且是第一次得到磁极倒转的模拟图。

换言之这表明，运转中的对流运动，液态外核能产生一个类似地球磁场的磁场。细想这类计算机模式有多么重要的意义。随着单元数和时间跨度的增加，这些模拟图越来越能显示自然界的情况。

这是计算机性能呈指数提高所引起的一大革命性的变革。计算机模拟现已成为现实，一些假设可以付诸试验了。例如地核的底部的温度是均匀的，而其顶部又是另一个（较低的）温度，这是一种简单化的假设，事实上是早期模拟中所采用的。

但是这一模拟产生一个比自然界所观察到的磁场非偶极更慢的变化。第二个模式采用的是更现实的假设，显示出地核与上层地幔之间的非均匀热传导现象。这就要求地核顶部的温度各地均不相同，与我们所知道的有关地幔的情况相符。

第二个模式产生的磁场非偶极部分变化更像我们在地球上所见到的变化，但是这些变化太迅速了。所以最后的结论是：热量从地核向地幔的传导决定了磁场的一些特点，因为这种传导影响了地核的对流方式。

能看到地球内部是特别有意思的事，因为热量一定有助于地幔的对流，因而也有助于板块结构的对流。这个例子说明地球不同地区相互作用，使地球作为一个统一的系统起着作用。最后格阿拉兹梅厄-罗伯兹模式预见到，地球固体内核比地球表面转得稍稍快些。

这一预见完全出人意料。这自然激励地质物理学家在地震数据中寻求支持该理论的证据，另一边是迂回曲折进行的吗？磁场看起来减弱，但并没有消失，在倒转过程中以不规则的方式摆动着。但是这些活动进行得很快（以地质学的观点而言），由于在岩石中还没有找到其细节，倒转现象尚未为我们所彻底了解。

在探讨上述问题时遇到的最主要困难是——或者说，在显示地球存在一个“自励电机”的问题上——不可能进行相应的实验室试验。地核的压力和温度不可能复制，这种条件下的潜在的地核材料性能不可能测得，用于制造“自励电机”所需的熔融材料量太大了，不可能做实际的试验。

但是计算机“实验”对这些问题的研究已取得重大进展，显示了内核的对流作用能够产生类似的磁场的“自励电机”。现在我们要转而谈谈地热，看看它是从哪里来的。从地球散发出的热量平均每平方米大约是87毫瓦。

之所以有热量散出，是因为地球深处是热的，随着深度增加，变得越来越热。地球存在三个热源。第一个是“原始的”热，也就是冲积层和地核地层留下的热；第二个是历时长久的放射性同位素衰变产生的热。

这两个热源影响程度到底有多大，不得而知，但是后者可能起着举足轻重的作用，大约占总热量的75%。第三个热源是月球的引力引起的潮汛摩擦作用。由于地球和月球互为轨道，两个星体朝着附近的相反一侧稍稍突出。

这就产生常见的海洋涨潮现象，但是地球的固态部分里也有类似的、却难以觉察到的潮汐。这永不停歇的“呼吸”引起固态地球里的摩擦，所产生的热可能高达地球内部热量的1〇%3放射性热大部分来自铀、钍和钾元素的衰变。

这些元素高度集中在大陆壳体的花岗岩部分，因而花岗岩会产生比其他岩石更多的热量。确切地说就重量计算，典型的花岗岩中每百万份（ppm)大约含4份铀、16ppm钍和3。3%的钾：这些元素放射性衰变每立方米岩石产生2。

5毫瓦的热量，反之，地幔岩石大约含有0。02ppni的铀、0。06ppm的钍和0。005%的钾，每立方米只产生0。01毫瓦的热量。地核不可能含有数M可观的放射性元素，据推测，那里大多是原始热。

大陆壳体虽然有较高的放射性，但所产生的热量只占总地热的一小部分。原因很简单那是因为它的质M只占地球的一小部分。更确切地说大约80%的热量来自地幔和地核，而且这些热沿着中洋脊出现，由于地幔热对流上升作用传到了那里。

我们已看到了地核里是如何进行热对流以及热对流的结果。地幔也对流因为地幔内部比外部热，因而驱动了板块结构，影响深远。