【科普物理】地球磁场稳定存在的奥秘被揭开 了，还不快来看看！！ - 全文

地球人都知道：地球存在着稳定的磁场，这个磁场像个“保护伞”保护着地球生命免受宇宙射线的侵害，为地球生命蓬勃生长贡献力量，并且推动了地球文明的发展。中科院合肥物质科学研究院固体物理研究所（以下简称“固体所”）特聘研究员亚历山大·冈察洛夫（Alexandre F. Gontcharov）研究团队利用金刚石对顶砧并结合脉冲激光加热技术，直观呈现了地球内部极端高温高压条件下铁的热力学行为，从而解释了地球磁场稳定存在的原因。该成果6月2日在线发表于《自然》杂志。

“地核的压力有几百万个大气压，温度有几千摄氏度，人们想了解的是在这种极端条件下，热量如何在地核中传播。”冈察洛夫介绍说，地球磁场对这种热运动极其敏感，也正是这部分运动的能量维持着地球磁场的稳定存在。

冈察洛夫在固体所研究团队的博士生姜树清向《中国科学报》记者补充解释说，该成果具有解释地球磁场由来和解读地球温度演化的双重意义。

在地球内部的高温高压极端环境下，内地核主要成分为固态铁，而外地核主要成分为液态铁，为地磁的产生提供了物质条件。“液态铁在地核中的对流，就像一台地球发电机，源源不断地产生磁场，这就是地球磁场产生并稳定存在的原因。”姜树清解释道。

事实上，液态铁在地核中的热运动规律和能量平衡是由其热导率决定的。以往的研究中，理论工作者根据不同的预测值给出了一些合理的地球演化模型，然而实际情况最终需要直接的实验测量工作进行甄别。

冈察洛夫团队通过金刚石对顶砧高压技术结合激光脉冲加热，获得了上百万大气压和1600摄氏度~3000摄氏度的极端条件，成功模拟了地核内部的极端高温高压环境，并利用动态光谱学方法，准确测量了该条件下铁样品的热导率范围——每开尔文米18至44瓦。

据悉，该值的大小对地球具有重要意义，一方面，它能保证液态铁在地核内不断对流，稳定地产生地磁场，保护地球免于来自宇宙的α射线、γ射线等射线的直接辐射，另一方面又能使地核中的热辐射不会过多地传输到地表，令地表在漫长的演化过程中逐渐降到适宜生命物质出现的温度条件。

“为了模拟地核中的高温高压极端条件，需要将多种实验技术结合起来应用，并建立行之有效的探测系统。”姜树清说。

据介绍，冈察洛夫受聘于中科院合肥物质科学研究院后，一直致力于在该研究院组建高压科学团队，并自主搭建了具有国际领先水平的激光加热、高温—高压低波数拉曼系统、充气系统等高压科学研究平台。此次实验，一方面对地球磁场的由来进行了正确解读，另一方面综合实验系统平台的有效性也得到了检验。未来，该技术有望进一步应用于对其他地质材料在极端条件下行为的探索发现。

1、地球磁场对地球文明的意义

地球磁场有效地阻止了太阳风（太阳风是太阳喷射出的带电粒子，是一束可以覆盖地球的强大的带电亚原子颗粒流，属于等离子态）等宇宙射线长驱直入。40多亿年以前，火星也有着磁场，在其磁场的保护下，火星一度拥有更为稠密的大气层和水，但是在后期的某一个时间（39亿年前）火星磁场消失了，在太阳风的侵蚀下，火星的大气层和水不复存在，火星也成了今天这个荒凉的样子。因此，磁场对行星上生命的保护作用意义重大。

在地球的南北两极可观测到的“极光”现象也证明了地球磁场对地球的巨大保护作用，太阳风会受到地球磁场的作用发生偏转而偏离地球。候鸟迁徙道路漫长，如何能在漫长路途中不迷失方向，这个问题自古就是科学爱好者心中的谜题，现代科技研究发现，候鸟迁徙是利用地球磁场导航，以确保方向的准确。同样利用地球磁性导航定位的还有人类的指南针，指南针发明以后，人类开始的大规模、远距离的航海探险，并发现了新大陆，开启了近代历史的新篇章。

2、地球磁场是电磁场

19世纪末，著名物理家居里在自己的实验室里发现磁石的一个物理特性，就是当磁石加热到一定温度时，原来的磁性就会消失。后来，人们把这个温度叫“居里点”。科学家们就此断定地球磁场不是永磁体产生的，应该是由电磁产生。

19世纪英国物理学家、数学家麦克斯韦提出了一个——电场会产生磁场，而磁场又会产生电场，如此往复不断的电磁场理论，并预言的电磁波的存在。造福于人类的无线电技术，就是以电磁场理论为基础发展起来的。电磁波的存在在1888年被德国物理学家赫兹的实验证实，轰动了全世界。

科学界普遍认为，产生地球磁场的液体金属的热导率应维持在一个特定范围内，当热导率过高，地球内部的热辐射被大量的传播到地表，就会保持地球形成初期的高温恶劣环境，火山喷发频繁、大气中水蒸发迅速，生命不会出现和演化；当热导率过低，地核内的热运动就会逐渐冷却下来，地表温度也会不断降低到不适宜人类生存的温度，地球磁场也会慢慢削弱，最终消失，地球可能会变成下一个火星，生命不复存在。

如何达到一个温度和磁场的平衡点？

许多理论物理学家建立了各种数字模型，对地球磁场的运行进行了估算和推理。理想的地球演化模型认为当地核内铁极其合金的热导率在30瓦每开尔文每米上下时，地球表面的温度及内部磁场的运行都可以保持在一个平衡状态。

3、科学家模拟极端环境得出地球磁场稳定存在的原因

中科院合肥研究院固体所特聘研究员亚历山大·冈察洛夫领导的研究团队利用金刚石对顶砧高压技术和脉冲激光加热技术，将地球内部极端高温高压条件下铁的热运动直观地呈现出来，这些液态铁不断流动，形成一个永不停歇的类似地球发电机的存在，电生磁从而形成地球磁场。这一研究工作于近日在线发表在顶级期刊《自然》杂志上。

地球内部处于高温高压环境，其中内地核主要成分是固态铁，外地核为液态铁，铁的对流产生地磁场。“地核的压力有几百万个大气压，温度有几千开尔文，人们一直想要了解在这种极端条件下，热量如何在地核中传播，并源源不断地维持地球磁场的存在。”冈察洛夫研究员说。

他和科研团队通过金刚石对顶砧高压技术结合激光脉冲加热，获得了上百万大气压、1600－3000摄氏度的极端条件，成功模拟了地核内部的极端高温高压环境，并利用动态光谱学方法，准确测量了这种极端条件下铁的热导率在18-44瓦每开尔文每米。这一测量结果与前文提到的模型理论相吻合，也验证这一模型是正确的模型理论。地球在几十亿年中的不断演化，以及各种形式的生命出现，正是地球内部这台精密的“地球发电机”在一直保驾护航。

作为固体所引进的“外专***”专家，冈察洛夫研究员领导科研团队搭建了完善的高温高压实验系统，可实现200万大气压、5000摄氏度以上的极端高温高压条件，并正在发展更高精度的动态光谱学测量系统。