木星磁場(chǎng)的形成與演變規(guī)律

鐘萃相

（江西師范大學(xué)，江西 南昌330022）

1 概述

現(xiàn)有的行星磁場(chǎng)理論認(rèn)為太陽(yáng)系的行星都具有與地磁場(chǎng)相似的內(nèi)源磁場(chǎng)[1-4]。然而，木星是由氦和氫組成的，由于這兩種元素的導(dǎo)電性能比較弱，所以一些理論推測(cè)木星內(nèi)部施加的某種巨大壓力導(dǎo)致了液態(tài)金屬氫的形成，這種金屬氫有著金屬一樣的導(dǎo)電特性，因此木星磁場(chǎng)就是液態(tài)金屬氫的攪動(dòng)形成的。但這種假說(shuō)未能解釋木星磁場(chǎng)的許多奇異特性，特別是無(wú)法解釋NASA Juno 探測(cè)器發(fā)現(xiàn)的木星磁場(chǎng)隨時(shí)間變化的特性[5-6]。因此，關(guān)于木星磁場(chǎng)是內(nèi)源磁場(chǎng)的假說(shuō)是難以置信的。于是作者重新分析了木星的形成與演進(jìn)過(guò)程及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境，找到了木星磁場(chǎng)的形成原因及其變化規(guī)律。

表1 太陽(yáng)系主要行星對(duì)太陽(yáng)表面物體引力之比

圖1 木星北極渦旋中的螺旋電流

2 木星磁場(chǎng)的形成與變化

木星是太陽(yáng)系八大行星中質(zhì)量最大的行星，其質(zhì)量是其他行星質(zhì)量總和的2.5 倍，其中氫占總質(zhì)量的75%，氦占總質(zhì)量的25%。另外，它是距離太陽(yáng)第五遠(yuǎn)的行星。但根據(jù)八大行星對(duì)太陽(yáng)表面噴射物(如氣體分子、塵?；蚱渌镔|(zhì))的萬(wàn)有引力的大小來(lái)排序，如表1 所示，木星是最具吸引力的行星。因此，木星是吸收了最多太陽(yáng)噴射物的行星，成為了體積最大的氣態(tài)巨星。木星擁有太陽(yáng)系內(nèi)最深厚的行星大氣層，厚度超過(guò)了5000km，其大氣層基礎(chǔ)大氣壓達(dá)到1MPa。

木星也是自轉(zhuǎn)速度最快的行星，在其自轉(zhuǎn)過(guò)程中形成一系列高度為幾千公里的極地渦旋。由于卷入渦旋的云團(tuán)數(shù)量巨大且以螺旋方式快速旋轉(zhuǎn)，到了渦旋底部，容易發(fā)生劇烈的摩擦和碰撞，不斷地產(chǎn)生猛烈的雷暴，從而釋放巨大的電能，使周圍空氣溫度迅速上升至幾萬(wàn)度，大氣壓力也上升到百萬(wàn)大氣壓，因此渦旋中的氣態(tài)氫轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)金屬氫。而液態(tài)金屬氫是導(dǎo)電性能優(yōu)良的導(dǎo)體，因此渦旋中的雷電可通過(guò)旋轉(zhuǎn)的液態(tài)金屬氫來(lái)形成螺旋電流，如圖1(該圖是美國(guó)宇航局通過(guò)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡捕捉到的木星北極渦旋中的螺旋電流)所示，從而形成強(qiáng)大的偶極磁場(chǎng),如圖2 所示。這種由極地渦旋產(chǎn)生的磁場(chǎng)的北極在地理南極附近，磁場(chǎng)的南極在地理北極附近。

圖2 木星氣旋產(chǎn)生的偶極磁場(chǎng)

圖3 木星北極氣旋及其子氣旋

圖4 木星衛(wèi)星的運(yùn)行軌道

由于木星大氣層比地球大氣層濃厚得多，因而由木星大氣層產(chǎn)生的極渦比地球上的極渦更強(qiáng)大穩(wěn)定，進(jìn)而由極渦形成的偶極磁場(chǎng)也穩(wěn)定得多。但木星磁場(chǎng)并非一成不變，而是隨著時(shí)間的推移和環(huán)境的變化而變化的。一方面，由于木星有多個(gè)質(zhì)量和體積巨大的衛(wèi)星，這些衛(wèi)星不停地繞木星旋轉(zhuǎn)，對(duì)木星磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。正如地球的月球能引海潮那樣，木星衛(wèi)星對(duì)木星上的風(fēng)暴氣旋也有萬(wàn)有引力作用。當(dāng)木星衛(wèi)星靠近木星風(fēng)暴氣旋時(shí)，它能使氣旋傾斜、拉伸、剪切或破裂，甚至拖出一些子氣旋，將它們?nèi)霾サ侥拘堑牟煌胤?，形成一系列的偶極磁場(chǎng)。另一方面，木星上的風(fēng)暴氣旋，特別是兩極氣旋，其底部不時(shí)地發(fā)生猛烈爆炸，將其內(nèi)部子氣旋往上推出，騰起高高的螺旋云塔，然后頭尾倒置地落在原氣旋旁邊，形成一個(gè)氣流方向與原氣旋氣流方向相反的子氣旋，這種子氣旋產(chǎn)生的偶極磁場(chǎng)的方向正好與處于中心位置的原氣旋的偶極磁場(chǎng)方向相反，因而會(huì)抵消一部分原磁場(chǎng)。當(dāng)中心氣旋周圍生成了許多這樣的子氣旋之后，這些子氣旋的磁場(chǎng)疊加在一起就會(huì)抵消原有的偶極磁場(chǎng)，最終使磁場(chǎng)發(fā)生倒轉(zhuǎn)[7，8]。所以，木星磁場(chǎng)的北極與地理北極一致，木星磁場(chǎng)的南極與地理南極一致，即木星磁場(chǎng)的方向與地磁場(chǎng)的方向相反。（圖3）

不僅如此，一些子氣旋還會(huì)在衛(wèi)星的萬(wàn)有引力的牽引下移動(dòng)，甚至環(huán)繞行星移動(dòng)，因此在木星的不同緯度的大氣層里可見(jiàn)許多壯大的橢圓形氣旋。比如，赤道附近的大藍(lán)斑和大紅斑就是大規(guī)模氣旋，這些氣旋也會(huì)產(chǎn)生偶極磁場(chǎng)，疊加到原有的磁場(chǎng)上。所以，木星的磁場(chǎng)是隨時(shí)間的變化而變化的（secular variation）。但過(guò)去科學(xué)家猜測(cè)，這種變化可能是行星的深層大氣風(fēng)引起的。顯然，將風(fēng)力與假想的內(nèi)源磁場(chǎng)聯(lián)系起來(lái)是不符合邏輯的，沒(méi)有從根本上揭示木星磁場(chǎng)的變化原因。事實(shí)上，磁場(chǎng)是由氣旋產(chǎn)生的，風(fēng)是由衛(wèi)星引出來(lái)的，沒(méi)有衛(wèi)星的萬(wàn)有引力就沒(méi)有風(fēng)力的產(chǎn)生。由于多數(shù)大質(zhì)量衛(wèi)星的軌道接近木星赤道平面，如圖4 所示，因此木星衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)引起的風(fēng)多是東西風(fēng)，很少是南北風(fēng)[9-10]。

圖5 假想有兩個(gè)磁南極的木星磁場(chǎng)

雖然木星的偶極磁場(chǎng)非常強(qiáng)大，但相對(duì)于巨大的木星來(lái)說(shuō)它是很有限的。事實(shí)上，木星極渦產(chǎn)生的偶極磁場(chǎng)很難覆蓋整個(gè)星球，特別木星是氣態(tài)巨星，木星的快速自轉(zhuǎn)產(chǎn)生了巨大的離心力，造就了木星兩極相對(duì)扁平，赤道隆起，因此兩極氣旋產(chǎn)生的偶極磁場(chǎng)的大部分磁力線都穿過(guò)赤道附近隆起的大氣層。這就容易使木星探測(cè)器覺(jué)得從木星北極磁場(chǎng)發(fā)出的一部分磁力線到了赤道附近就終止了。另外，赤道附近的大藍(lán)斑也是一個(gè)大氣旋，能產(chǎn)生強(qiáng)烈的偶極磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的北極指向地面，南極指向天空，這就會(huì)使木星探測(cè)器誤以為木星的偶極磁場(chǎng)具有兩個(gè)南極——一個(gè)在赤道大藍(lán)斑附近，另一個(gè)在木星地理南極，如圖5 所示。

3 結(jié)論

現(xiàn)有的比較有影響的行星磁場(chǎng)起源說(shuō)都是沿襲地磁場(chǎng)的內(nèi)部發(fā)電機(jī)學(xué)說(shuō)來(lái)的，由于地磁場(chǎng)的內(nèi)部發(fā)電機(jī)學(xué)說(shuō)本身懸而未決、難以置信，因此現(xiàn)有的行星磁場(chǎng)起源說(shuō)被引入了歧途，對(duì)于理解和解釋諸如木星磁場(chǎng)這樣復(fù)雜的磁場(chǎng)時(shí)顯得無(wú)能為力。于是，作者重新分析了木星的形成與演進(jìn)過(guò)程及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境，找到了木星磁場(chǎng)的形成原因及其變化規(guī)律：在木星快速自轉(zhuǎn)的過(guò)程中，木星兩極產(chǎn)生了一系列強(qiáng)大的極渦，其中蘊(yùn)含著強(qiáng)大的螺旋電流，從而形成強(qiáng)大的偶極磁場(chǎng)，這就是原始的木星磁場(chǎng)。隨著木星衛(wèi)星繞木星周而復(fù)始地旋轉(zhuǎn)，一些質(zhì)量和體積巨大的木星衛(wèi)星又能從木星大氣渦旋里引出一些子氣旋，這些子氣旋通過(guò)吸收濃厚的云氣而形成強(qiáng)大的氣旋，產(chǎn)生一些新的磁場(chǎng)，疊加到原有磁場(chǎng)上便形成了木星的現(xiàn)有磁場(chǎng)，因此木星磁場(chǎng)是隨時(shí)間的推移和外部環(huán)境的變化而變化的。