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地磁场起源原理

2018/06/19198 作者:佚名
导读: 地核内磁流体动力学的研究思路是导电流体和磁场的相互作用如何改变原始的磁场和运动状态,这是“自激发电机说”的基础。导电流体和磁场的相互作用,在数学上也就是电磁场方程与流体运动方程的耦合。在磁场中运动的导电流体,根据法拉第电磁感应定律,将在随流体运动的回路里产生感应电动势。若导体是电导率为无穷大的理想导体,感应电流将为无穷大,这显然是不可能的。如果任意运动回路中的磁通量不变,磁力线必然随流体一起

地核内磁流体动力学的研究思路是导电流体和磁场的相互作用如何改变原始的磁场和运动状态,这是“自激发电机说”的基础。

导电流体和磁场的相互作用,在数学上也就是电磁场方程与流体运动方程的耦合。在磁场中运动的导电流体,根据法拉第电磁感应定律,将在随流体运动的回路里产生感应电动势。若导体是电导率为无穷大的理想导体,感应电流将为无穷大,这显然是不可能的。如果任意运动回路中的磁通量不变,磁力线必然随流体一起运动,犹如磁力线与流体牢固地粘在一起。这个现象称为磁场的"冻结"效应,即磁场与流体完全冻结起来。这时磁场所满足的方程称为“冻结方程”。当流体的电导率为有限时,除不断有焦耳热损耗外,磁场还将不断由强的区域向弱的区域扩散。因此在一般情况下,导电流体中的磁场既受冻结效应的控制,又将不断扩散。这时满足的方程称为“扩散冻结方程”。冻结和扩散两种效应,除与电导率(λ)有关外,还与流体的速度(v)和尺度 (L)有关。在电磁流体力学中,定义无量纲常数地磁场起源图片

为磁粘滞系数。RM>>1时,流体中冻结效应将是主要的;RM<<1时,扩散现象将占优势。

由于磁场的存在,流体运动方程中除原有的作用力外,还将增加电磁力。运动和磁场方程相互耦合的媒介就是电磁力。

导电流体在磁场中运动,将产生感应电流,从而改变原有磁场。如果运动适当,有可能维持某种稳定的磁场。这个过程如同通常的发电机,导电流体相当于发电机的线圈,因此把维持磁场的这种假说称为“发电机说”。当然除这种简单的相似外,两者的过程是完全不同的。在磁流体过程中,由于运动和磁场的耦合,电磁方程和流体运动方程都将成为非线性方程。至今求解这样复杂的非线性方程组仍然是困难的。为此通常把运动和磁场的耦合作为微扰处理,分别求解运动方程和电磁方程。这时两个方程仍为线性方程,相应于方程的“发电机”则称为“线性发电机”。

若地核中产生的地磁场被激发后自由衰减,其衰减寿命约为10年。但古地磁学中已经测到的最老的磁性岩石年龄接近10年,这说明地磁场的寿命远远超出它的自由衰减寿命。为维持这样长寿命的地磁场,必须不断提供能量以补偿焦耳热损耗。地核中的能量来源,以及提供的能量维持怎样的运动才能获得长时间稳定的地磁场,是发电机说要回答的两个基本问题。

地核的电导率是地球内部电导率最高的,约为 3×10电磁单位。地磁非偶极场成分的西向漂移表明,非偶极场源有相对于地幔的运动,其速度量级为20公里每年。这要比被地质现象所证实的固体地壳的运动高 5个量级,因此从焦耳热损耗和运动量级考虑,液体地核是地磁发电机最有利的场所。

发电机的能量图像根据液核中磁流体动力学原理可知,发电机的能量转换过程是运动能与磁能的转换,其转换媒介是电磁力。运动反抗这种电磁力做功将对系统提供能量,其中一部分用来补偿焦耳热损耗,剩余的用来增加系统的磁场能量和向核外输送电磁能从而改变核内与核外的磁场。这一过程可以用方程

地磁场起源图片

表示。方程式右端地磁场起源图片

为电磁力,其中j 为电流密度;地磁场起源图片

(对整个液核积分)代表运动(V)反抗电磁力做功;WH为液核中的总磁能;为液核中的焦耳热损耗率;FE为单位时间内通过液核表面向外输送的电磁能。对于稳定发电机,核内和核外磁场不随时间变化,方程变为: =AH,

即运动反抗电磁力做功所提供的能量全部用来补偿焦耳热损耗。

运动能量提供的方式与作用力有关。产生运动的力除电磁力外,主要是重力与流体静压力,液核内力学能量的转换方程为:

地磁场起源图片

,

其中地磁场起源图片

为液核总动能的减少率;FP为流体静压力通过液核表面向核内的能量输送率,重力做功在核内和表面上都将产生位能的释放;FG是在液核表面上由于质量交换所产生的位能释放率,例如地幔物质由于重力分异落入地核产生的能量交换即属此类;是由于沿着介质运动方向密度不均匀性产生的位能释放,热对流即属此类。发电机过程中流体运动反抗电磁力做功,或者以系统的动能减少为代价,或者由重力位能的释放和表面流体静压力做功来提供,当然也可以是几种因素的综合效果。当系统稳定时, FP+FG+=AH=,

这时重力位能的释放与流体静力做功全部用来补偿焦耳热损耗。非稳定状态下的能量转换方程则是: 地磁场起源图片

,

由地核内磁场的总能量(WH)和磁场的自由衰减时间,可以估计液核中焦耳热损耗 ()约为10尔格/秒。很显然,这个量级应是维持发电机所必需的最低限度的能量提供率。

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