为什么地球有磁性而金星没有?

翻译:刘一&佐黛 审:Anson

为什么地球有磁性而金星没有?

唐·戴维斯/《新太阳系》(第4版)

金星与地球基于其容重,二者的内核半径约为总半径的1/2,体积约为总体积的1/8。研究者对于金星是否同地球一样具有一个固体内核仍处于未知状态。

行星科学家并不真正了解金星的构成。尽管金星在大小、重量以及岩石总体构成上可以说是地球的双胞胎,但二者在很多方面都有着天壤之别。其中一个十分明显的区别就是我们的姊妹星球大气密度大且云层厚重。厚重的二氧化碳层引发了严重到难以控制的温室效应,其将太阳的能量极大程度地存储在星球上,致使金星的地表温度已飙升至大约460°C (860°F)。

经过更为深入研究发现,二者有着更为突出的区别。仅仅从密度的角度来说,金星的内核一定含铁丰富且至少一部分是融化的。那么为什么进行没有类似地球上的磁场呢?要生成这样一个磁场的话,液体内核需要处于运动状态。并且,在相当一段时间里,理论学家猜测金星243天的公转周期可谓缓慢至极,这是为了抑制内部必然发生的运动。

研究者称,这并不是因为这个。来自自洛杉矶加利福尼亚大学的副教授,弗朗西斯·尼姆解释道,“全球性磁场的形成需要液核对流,而液核对流的产生需要上方地幔从地核提取热量。” 金星缺少的板块构造作用正是地球所特有的,所以在金星上没有上升或下降的板块像传送带那样将传递热量。因此,在过去的二十年间,尼姆和其他人得出了金星地表必定温度极高且热量从地核散出的速度不足以带动对流这一结论。

最近出现的一个新观点从一个全新的角度解决该问题。赛斯·雅各布森(现于西北大学)和他的四个同事在《地球与行星科学快报》中详细地说明了也许地球和金星都不会有磁场,但有一决定性的不同之处:不同板块组合起来的地球遭受了火星大小的星体的碰撞,这次灾难性的撞击也使月球成为了地球的卫星,而金星却没有遭遇过这样的事件。

雅各布森和他的团队模拟了太阳系早期的无数微星逐渐形成像金星和地球这样的岩石行星的过程。越来越大的碎片聚集到一起,碎片中蕴涵的不同种类的铁会下沉进完全熔融的行星进而形成内核。起初,这些内核几乎完全是由铁和镍组成。但是更多组成内核的金属形成于碰撞,这种物质密度较高,下沉中经过熔融的地幔时,与密度较小的元素(氧、硅和硫)发生反应。

随着时间的推移,炽热熔融的内核形成了几个(可多达10个)成分不同的稳定层。雅各布森的团队解释称:“实际上,他们制造了一个有内核的类洋葱的壳结构,对流混合最终使得每个壳中的流体均质,但它避免了壳间的均质。”热仍然会渗出,通过层间介质进入地幔,但是这个过程很缓慢。这样一个分层的内核缺乏发电机所需的大规模循环,因此这种行星没有磁场。这可能也正是金星的命运。

为什么地球有磁性而金星没有?

美国国家航空航天局-戈达德航天中心科学可视化工作室/喷气推进实验室 /导航辅助信息设备

由于液体外核的搅动对流,地球形成了一个稳固的磁场。蓝色箭头表示极向;黄色箭头指向太阳。

与此同时,月球形成时产生的作用也影响了我们的地球,尤其是影响了地球的内核。这种作用不仅造成了剧烈的混流——这种混流会摧毁任何的组合分层,也造成了全范围地相同元素混合。这种均质化使得内核开始作为一个整体产生对流,也使得热能够轻易地进入地幔。板块构造也将内核的热传导到了表面。不停对流的内核便变成了创造我们强大的全球磁场的发电机。

但是,现在,我们还不清楚的是这些组成层的稳定度如何。雅各布森说,下一步,我们将对所涉及的流体动力学进行更严格的数值模拟。

研究人员注意到,金星在成形过程中,无论是在大小,还是在质量上,都受到了大型撞击的影响。但是,很显然,没有任何一颗行星遭受过在程度或时间上足以破坏内核中已经成形的组成分层的撞击。经过比较,研究小组得出这样的结论:“地球在发展的末期曾遭受猛烈撞击,这也促使了月球的形成及其内核的均质化。”如果他们是对的,那么地球和金星的不同经历就变成了行星“富人”和“穷人”的经典故事。

原文链接:http://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/why-is-earth-magnetized-and-venus-not-magnetized/


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