夏农

　　在几百年前，我国宋代的术士就知道地球有磁极，并且与地理南北极有偏角。随着航天技术的发展，人类在20世纪80年代，通过“旅行者2号”探测器对天王星、海王星的考察发现，行星的磁极原来千奇百怪。数学模拟的结果表明，行星磁极的最大秘密就在行星内部带电的液流层。

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　　怪癖的孪生行星

　　在我们的太阳系中，天王星可算是一颗特立独行的行星。在旋转轴的取向上，大多数的太阳系行星都与我们熟悉的地球相似，总是围绕着几乎与黄道面垂直的轴线自转，从而形成了由上而下的南北两极，看起来像一个在地上旋转的陀螺。可天王星的轴线却几乎平行于黄道面，看起来更像一个皮球在地上滚动，绕日公转时，两极有三个月时间受太阳直射。然而天王星的赤道地区仍比两极地区热，这其中的原因还不为人知。

　　最奇怪的是，天王星的南北磁极与地理上的南北极相距太远。大多数行星都有南极和北极两极磁场，地球的磁场排列非常简单，恰恰就像一个磁铁条的一样：磁力线从地理南极附近出发，围绕地球半圈后封闭于地理北极。地球的磁极与地球的南北极存在一个偏角，称为磁偏角，目前二者的交角为11.5度。太阳系的其它许多行星，包括木星、土星和木星都与地球类似，比如木星的磁偏角是10度，与地球相近。而天王星的磁场却很怪异，它不但具有多个极，而且磁偏角很大，达到59度。在这方面与天王星相似的还有海王星，海王星的磁偏角也非常大，达到47度。更奇怪的是，这两颗行星的磁极竟然一刻也没有停止快速变动。因而天王星和海王星经常被叫做双胞胎行星。

　　对于天王星的怪异磁场成因，科学家们最早提出的假说是：在天王星早期有个地球大小的星体同它相撞。由于它成滚动方式自转，被撞后虽然地理南北两极倒转了，但形成磁场的内动力没有全部倒转过来，所以磁极异常倾斜，出现与地理两极不一致。但是这样的模式显然不适用于解释自旋轴线仍然与黄道面垂直的海王星。后来科学家又提出更多的理论模型来解释这些异常的磁场，但都没有达成共识。为了真正揭开这对孪生行星的磁场与众不同的秘密，还得先弄清行星磁场形成的最细微的因素。

　　行星磁极的制造者

　　对于地球，它的内部构造决定了其磁场的形成与磁偏角的大小。地球由一个固态的巨大铁质内核、液态的金属地幔和岩石地壳组成。地核的温度高达5540℃左右，高温使地核中少量原子的电子脱离原子核引力从原子状态分离出来，变成了自由电子，同时令构成地核的少量原子失去电子变成带正电的离子，这是一种典型的低温状态下的等离子体。但是这种处于地心高压下的等离子体与常压下的等离子体很不一样，它们能在地核中巨大挤压力作用下，像水中的气泡一样飘浮到地核与地幔的交界处，形成一层构成地核外层的“电子气海洋”。这层包围在地球固体铁核外的连续流动的“电子气海洋”就像一些有电流的线圈，遵循一个物理学的定律：运动的电荷产生磁场，地磁就这样形成了。这就是解释行星磁场形成的所谓“磁流体电机理论”。

　　澳大利亚国家大学地磁学专家特德·里雷说，不仅仅限于金属流体，实际上任何运动着的带电流体都能产生磁场。对于行星，只要它的内部存在流体，就会产生“电机效应”：星球内部的导电液体在流动时产生稳恒的电流，由这电流产生星球磁场。

　　让我们来看看天王星和海王星的“电机”构造是怎样的吧。天王星和海王星都有一个较小的固态石头核心。在这个核心外面，与地球不一样的是：它们依次被不发生对流的水层、发生对流的氢和氦的混合物层包裹着，正是这个薄薄的氢氦对流层形成了构成了这个“电机”的线圈。这个“电机”看起来虽然不是很强大，但足以使它们产生磁场。

　　为什么会出现地磁偏角呢？如果我们了解了地球空间中物质的不对称运动，这个问题就非常好理解了。地球是在旋转中存在的，而它的内部是充满着熔融火浆的液态和等离子态物质，这些物质并不能和地球的旋转完全同步运动，因而就会使各层间甚至某一层的内部物质出现相互摩擦，这种摩擦使大量物质的一致流动出现混乱，无数个这样的混乱不断地组织起来，在它们的表面就形成了一个与地球本身自转方向不一致的能量场。此外，组成地球物质的基本粒子——原子，它们本身也有自旋，并且原子的自旋总是倾向于以太阳引力的方向为旋转轴(与黄道面平行)，从而形成了另外一个干扰地球自旋的涡旋能量场。综合这两方面的因素，地磁偏角的大致方向就形成了。当然，还有其它作用较小的外在能量场的也在这场运动的角力中起作用，如太阳黑子的爆发、太阳耀斑、日食、月球引力等造成的空间周期变化。所以星体只要存在着自转，其磁场就必然存在着磁偏角。天王星和海王星再怪异，在这一点上也不能与其它兄弟不同。

　　一个缺少强大核心的发电机

　　知道了行星磁场与磁极形成的一般原理，只要找到天王星、海王星同地球或其它行星的内部构造差异，磁场之谜也就破解在即。最近，美国科学家，哈佛大学的萨拜因·斯坦利和杰里米·布洛克汉仍然采用公认的发电机模型理论，并运用数学模型方法研究得出：天王星和海王星特殊的内部构造造成了它们的特异磁场。

　　由于地核外层“电子气海洋”的稳定流动，使地球产生了磁场。地球的这种样子看起来就像一个发电机一样，在磁场作用下，将动能转变成了电能。地球的内部实际上是一个高温超导体，电流一旦产生，很少被电阻消耗。永不停息的电流形成了稳定的地球磁场。地球的金属核可以保持地球磁场磁力线稳定，并按照南北走向排列基本不变。

　　但是天王星和海王星与地球和其它行星有很大的不同，它们没有一个巨大的固体金属内核。而靠外的液态核心也被分成了两层：里层是不能对流循环的水层，外层才是可以对流的氢氦混合带电层，但是非常薄。这个很薄的对流外层能够随着星体自旋一起运动，形成所谓的电机效应。这个电机产生的电流不像地球内部超导体那么稳定，从而形成的磁场也不太稳定，并且这个电机产生的磁场磁力线穿过星体上空再回到内部时，因缺少一个巨大的金属核而无法将它们捕获进有序的空间并使之稳定下来。在这两个星体的液态水核中，磁力线返回后混乱一片，扭结在一起，磁场的方向不再规则，本应该出现的类似于磁铁条的有序磁场怎么也形成不了。所以，天王星和海王星的磁极总是在一定范围内剧烈变动，并且内部本身的混乱，加剧了磁偏角的扩大。