木星磁场的形成原因及变化规律

　　摘    要：　现有的行星磁场理论认为木星具有与地磁场相似的内源磁场,木星磁场是由液态金属氢的搅动形成的。但这种假说未能解释木星磁场的许多奇异特性,特别是无法解释NASA Juno探测器发现的木星磁场随时间变化的特性。因此,关于木星磁场是内源磁场的假说难以置信。于是作者分析了木星的形成与演进过程及其内部结构与外部环境,找到了木星磁场的形成原因及其变化规律。

　　关键词 :    木星;卫星;气旋;磁场;形成;变化;

　　Abstract：　According to the existing planetary magnetic field theory, Jupiter has an endogenous magnetic field similar to the geomagnetic field, which is formed by the agitation of liquid metal hydrogen. However, this hypothesis can not explain many strange characteristics of Jupiter's magnetic field, especially that Jupiter's magnetic field is changing over time,which was discovered by NASA Juno. Therefore, the hypothesis that Jupiter's magnetic field is an endogenous magnetic field is incredible.Thus, the author analyzes the formation and evolution of Jupiter as well as its internal structure and external environment, and finds out the formation reason and variation law of Jupiter's magnetic field.

　　Keyword：　Jupiter; Satellite; Cyclones; Magnetic fields; Formation; Evolution;
 

　　1 、概述

　　现有的行星磁场理论认为太阳系的行星都具有与地磁场相似的内源磁场[1,2,3,4]。然而，木星是由氦和氢组成的，由于这两种元素的导电性能比较弱，所以一些理论推测木星内部施加的某种巨大压力导致了液态金属氢的形成，这种金属氢有着金属一样的导电特性，因此木星磁场就是液态金属氢的搅动形成的。但这种假说未能解释木星磁场的许多奇异特性，特别是无法解释NASA Juno探测器发现的木星磁场随时间变化的（转下页）特性[5,6]。因此，关于木星磁场是内源磁场的假说是难以置信的。于是作者重新分析了木星的形成与演进过程及其内部结构与外部环境，找到了木星磁场的形成原因及其变化规律。

　　表1 太阳系主要行星对太阳表面物体引力之比

　　图1 木星北极涡旋中的螺旋电流

　　2 、木星磁场的形成与变化

　　木星是太阳系八大行星中质量最大的行星，其质量是其他行星质量总和的2.5倍，其中氢占总质量的75%，氦占总质量的25%。另外，它是距离太阳第五远的行星。但根据八大行星对太阳表面喷射物(如气体分子、尘埃或其他物质)的万有引力的大小来排序，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阳喷射物的行星，成为了体积最大的气态巨星。木星拥有太阳系内最深厚的行星大气层，厚度超过了5000km，其大气层基础大气压达到1MPa。

　　木星也是自转速度最快的行星，在其自转过程中形成一系列高度为几千公里的极地涡旋。由于卷入涡旋的云团数量巨大且以螺旋方式快速旋转，到了涡旋底部，容易发生剧烈的摩擦和碰撞，不断地产生猛烈的雷暴，从而释放巨大的电能，使周围空气温度迅速上升至几万度，大气压力也上升到百万大气压，因此涡旋中的气态氢转变为液态金属氢。而液态金属氢是导电性能优良的导体，因此涡旋中的雷电可通过旋转的液态金属氢来形成螺旋电流，如图1(该图是美国宇航局通过哈勃太空望远镜捕捉到的木星北极涡旋中的螺旋电流)所示，从而形成强大的偶极磁场,如图2所示。这种由极地涡旋产生的磁场的北极在地理南极附近，磁场的南极在地理北极附近。

　　图2 木星气旋产生的偶极磁场

　　图3 木星北极气旋及其子气旋

　　图4 木星卫星的运行轨道

　　由于木星大气层比地球大气层浓厚得多，因而由木星大气层产生的极涡比地球上的极涡更强大稳定，进而由极涡形成的偶极磁场也稳定得多。但木星磁场并非一成不变，而是随着时间的推移和环境的变化而变化的。一方面，由于木星有多个质量和体积巨大的卫星，这些卫星不停地绕木星旋转，对木星磁场会产生巨大的影响。正如地球的月球能引海潮那样，木星卫星对木星上的风暴气旋也有万有引力作用。当木星卫星靠近木星风暴气旋时，它能使气旋倾斜、拉伸、剪切或破裂，甚至拖出一些子气旋，将它们撒播到木星的不同地方，形成一系列的偶极磁场。另一方面，木星上的风暴气旋，特别是两极气旋，其底部不时地发生猛烈爆炸，将其内部子气旋往上推出，腾起高高的螺旋云塔，然后头尾倒置地落在原气旋旁边，形成一个气流方向与原气旋气流方向相反的子气旋，这种子气旋产生的偶极磁场的方向正好与处于中心位置的原气旋的偶极磁场方向相反，因而会抵消一部分原磁场。当中心气旋周围生成了许多这样的子气旋之后，这些子气旋的磁场叠加在一起就会抵消原有的偶极磁场，最终使磁场发生倒转[7,8]。所以，木星磁场的北极与地理北极一致，木星磁场的南极与地理南极一致，即木星磁场的方向与地磁场的方向相反。（图3)

　　不仅如此，一些子气旋还会在卫星的万有引力的牵引下移动，甚至环绕行星移动，因此在木星的不同纬度的大气层里可见许多壮大的椭圆形气旋。比如，赤道附近的大蓝斑和大红斑就是大规模气旋，这些气旋也会产生偶极磁场，叠加到原有的磁场上。所以，木星的磁场是随时间的变化而变化的（secular variation）。但过去科学家猜测，这种变化可能是行星的深层大气风引起的。显然，将风力与假想的内源磁场联系起来是不符合逻辑的，没有从根本上揭示木星磁场的变化原因。事实上，磁场是由气旋产生的，风是由卫星引出来的，没有卫星的万有引力就没有风力的产生。由于多数大质量卫星的轨道接近木星赤道平面，如图4所示，因此木星卫星的运动引起的风多是东西风，很少是南北风[9,10]。

　　虽然木星的偶极磁场非常强大，但相对于巨大的木星来说它是很有限的。事实上，木星极涡产生的偶极磁场很难覆盖整个星球，特别木星是气态巨星，木星的快速自转产生了巨大的离心力，造就了木星两极相对扁平，赤道隆起，因此两极气旋产生的偶极磁场的大部分磁力线都穿过赤道附近隆起的大气层。这就容易使木星探测器觉得从木星北极磁场发出的一部分磁力线到了赤道附近就终止了。另外，赤道附近的大蓝斑也是一个大气旋，能产生强烈的偶极磁场，该磁场的北极指向地面，南极指向天空，这就会使木星探测器误以为木星的偶极磁场具有两个南极———一个在赤道大蓝斑附近，另一个在木星地理南极，如图5所示。

　　图5 假想有两个磁南极的木星磁场

　　3 、结论

　　现有的比较有影响的行星磁场起源说都是沿袭地磁场的内部发电机学说来的，由于地磁场的内部发电机学说本身悬而未决、难以置信，因此现有的行星磁场起源说被引入了歧途，对于理解和解释诸如木星磁场这样复杂的磁场时显得无能为力。于是，作者重新分析了木星的形成与演进过程及其内部结构与外部环境，找到了木星磁场的形成原因及其变化规律：在木星快速自转的过程中，木星两极产生了一系列强大的极涡，其中蕴含着强大的螺旋电流，从而形成强大的偶极磁场，这就是原始的木星磁场。随着木星卫星绕木星周而复始地旋转，一些质量和体积巨大的木星卫星又能从木星大气涡旋里引出一些子气旋，这些子气旋通过吸收浓厚的云气而形成强大的气旋，产生一些新的磁场，叠加到原有磁场上便形成了木星的现有磁场，因此木星磁场是随时间的推移和外部环境的变化而变化的。

　　参考文献

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　　[3]Yue- Kin Tsang;Chris A.Jones. Characterising Jupiter's dynamo radius using its magnetic energy spectrum[J] .Earth and Planetary Science Letters,2020-01-15.
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　　[9]K.M.Moore,et al.Time variation of Jupiter's internal magnetic field consistent with zonal wind advection[J].Nature Astronomy,vol.3,pp.730-735 (2019).
　　[10]J.Wicht,et al. Dynamo action of the zonal winds in Jupiter[J]. Astronomy&Astrophysics ,2019-09-19.