中國科學(xué)報訊（記者刁雯蕙）南方科技大學(xué)地球與空間科學(xué)系副教授林玉峰與合作者揭示了地球磁場發(fā)電機對地核流體黏度的不變性，并發(fā)現(xiàn)早期地球模型可產(chǎn)生與現(xiàn)今觀測高度相似的地磁場結(jié)構(gòu)和強度。近日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》。

　　研究示意圖，南方科技大學(xué)供圖

　　地磁場能夠阻擋太陽風(fēng)高能粒子和宇宙射線對地球生物圈層的直接侵襲，是影響地球宜居性演化的關(guān)鍵因素之一。古老的巖石剩磁記錄表明，地磁場至少已持續(xù)存在35億年。1919年提出的“地球發(fā)電機模型”認為，太陽和行星磁場可能是在其內(nèi)部導(dǎo)電流體中通過磁流體發(fā)電機產(chǎn)生并維持的，但地球發(fā)電機在地核中的具體運行機制仍不清楚。

　　隨著高性能計算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬成為研究地球磁場發(fā)電機過程的關(guān)鍵手段。但受計算能力限制，數(shù)值模擬采用的流體黏度遠高于真實地核流體，制約了數(shù)值模型的可靠性。現(xiàn)有模型大多基于當(dāng)前地核結(jié)構(gòu)的球殼模型，而古地磁和熱演化研究表明，在大部分地質(zhì)歷史時期，地球發(fā)電機是在整個液態(tài)地核中運行的。因此，地球發(fā)電機在固體內(nèi)核形成之前的運行機制及其產(chǎn)生的磁場結(jié)構(gòu)尚不清楚。

　　為此，研究團隊開發(fā)了基于完全譜方法的高度并行算法，實現(xiàn)了全球三維非線性磁流體力學(xué)方程的高效精確求解。利用該算法，團隊構(gòu)建了適用于早期地球的磁場發(fā)電機模型，完成了迄今最低黏度的地球磁場發(fā)電機模擬。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流體黏度逐漸降低時，發(fā)電機產(chǎn)生的對流速度、磁場強度和空間特征尺度均保持不變，表明黏性力在極低黏度條件下可忽略不計。這項研究通過直接數(shù)值模擬揭示了地球發(fā)電機對黏度的不變性，從漸近分析的角度實現(xiàn)了接近真實地核條件的無黏發(fā)電機的理論突破。

　　他們還發(fā)現(xiàn)，地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的科里奧利力主導(dǎo)形成沿自轉(zhuǎn)軸的柱狀對流結(jié)構(gòu)，洛倫茲力整體與其量級相當(dāng)，但在強磁場區(qū)會超越科里奧利力，破壞局部柱狀結(jié)構(gòu)。對洛倫茲力的軸向力矩的定量分析表明，該模型接近滿足1963年提出的忽略黏性力的理論約束，進一步驗證了研究團隊構(gòu)建的地球發(fā)電機數(shù)值模型實現(xiàn)了無黏發(fā)電機模式。

　　最后的模擬結(jié)果與地磁觀測數(shù)據(jù)系統(tǒng)對比分析發(fā)現(xiàn)，早期地球模型產(chǎn)生的磁場特征與前寒武紀古地磁記錄整體吻合，同時也能再現(xiàn)與現(xiàn)今觀測相似的地磁場結(jié)構(gòu)和強度。這一發(fā)現(xiàn)表明，地球發(fā)電機能夠在數(shù)十億年時間尺度上維持以軸向偶極子為主的穩(wěn)定地磁場，為古地磁場的重構(gòu)和理解地球磁場長期演化提供了重要理論依據(jù)。