木星磁場的形成與演變規律

鐘萃相

（江西師范大學，江西 南昌330022）

1 概述

現有的行星磁場理論認為太陽系的行星都具有與地磁場相似的內源磁場[1-4]。然而，木星是由氦和氫組成的，由于這兩種元素的導電性能比較弱，所以一些理論推測木星內部施加的某種巨大壓力導致了液態金屬氫的形成，這種金屬氫有著金屬一樣的導電特性，因此木星磁場就是液態金屬氫的攪動形成的。但這種假說未能解釋木星磁場的許多奇異特性，特別是無法解釋NASA Juno 探測器發現的木星磁場隨時間變化的特性[5-6]。因此，關于木星磁場是內源磁場的假說是難以置信的。于是作者重新分析了木星的形成與演進過程及其內部結構與外部環境，找到了木星磁場的形成原因及其變化規律。

表1 太陽系主要行星對太陽表面物體引力之比

圖1 木星北極渦旋中的螺旋電流

2 木星磁場的形成與變化

木星是太陽系八大行星中質量最大的行星，其質量是其他行星質量總和的2.5 倍，其中氫占總質量的75%，氦占總質量的25%。另外，它是距離太陽第五遠的行星。但根據八大行星對太陽表面噴射物(如氣體分子、塵埃或其他物質)的萬有引力的大小來排序，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陽噴射物的行星，成為了體積最大的氣態巨星。木星擁有太陽系內最深厚的行星大氣層，厚度超過了5000km，其大氣層基礎大氣壓達到1MPa。

木星也是自轉速度最快的行星，在其自轉過程中形成一系列高度為幾千公里的極地渦旋。由于卷入渦旋的云團數量巨大且以螺旋方式快速旋轉，到了渦旋底部，容易發生劇烈的摩擦和碰撞，不斷地產生猛烈的雷暴，從而釋放巨大的電能，使周圍空氣溫度迅速上升至幾萬度，大氣壓力也上升到百萬大氣壓，因此渦旋中的氣態氫轉變為液態金屬氫。而液態金屬氫是導電性能優良的導體，因此渦旋中的雷電可通過旋轉的液態金屬氫來形成螺旋電流，如圖1(該圖是美國宇航局通過哈勃太空望遠鏡捕捉到的木星北極渦旋中的螺旋電流)所示，從而形成強大的偶極磁場,如圖2 所示。這種由極地渦旋產生的磁場的北極在地理南極附近，磁場的南極在地理北極附近。

圖2 木星氣旋產生的偶極磁場

圖3 木星北極氣旋及其子氣旋

圖4 木星衛星的運行軌道

由于木星大氣層比地球大氣層濃厚得多，因而由木星大氣層產生的極渦比地球上的極渦更強大穩定，進而由極渦形成的偶極磁場也穩定得多。但木星磁場并非一成不變，而是隨著時間的推移和環境的變化而變化的。一方面，由于木星有多個質量和體積巨大的衛星，這些衛星不停地繞木星旋轉，對木星磁場會產生巨大的影響。正如地球的月球能引海潮那樣，木星衛星對木星上的風暴氣旋也有萬有引力作用。當木星衛星靠近木星風暴氣旋時，它能使氣旋傾斜、拉伸、剪切或破裂，甚至拖出一些子氣旋，將它們撒播到木星的不同地方，形成一系列的偶極磁場。另一方面，木星上的風暴氣旋，特別是兩極氣旋，其底部不時地發生猛烈爆炸，將其內部子氣旋往上推出，騰起高高的螺旋云塔，然后頭尾倒置地落在原氣旋旁邊，形成一個氣流方向與原氣旋氣流方向相反的子氣旋，這種子氣旋產生的偶極磁場的方向正好與處于中心位置的原氣旋的偶極磁場方向相反，因而會抵消一部分原磁場。當中心氣旋周圍生成了許多這樣的子氣旋之后，這些子氣旋的磁場疊加在一起就會抵消原有的偶極磁場，最終使磁場發生倒轉[7，8]。所以，木星磁場的北極與地理北極一致，木星磁場的南極與地理南極一致，即木星磁場的方向與地磁場的方向相反。（圖3）

不僅如此，一些子氣旋還會在衛星的萬有引力的牽引下移動，甚至環繞行星移動，因此在木星的不同緯度的大氣層里可見許多壯大的橢圓形氣旋。比如，赤道附近的大藍斑和大紅斑就是大規模氣旋，這些氣旋也會產生偶極磁場，疊加到原有的磁場上。所以，木星的磁場是隨時間的變化而變化的（secular variation）。但過去科學家猜測，這種變化可能是行星的深層大氣風引起的。顯然，將風力與假想的內源磁場聯系起來是不符合邏輯的，沒有從根本上揭示木星磁場的變化原因。事實上，磁場是由氣旋產生的，風是由衛星引出來的，沒有衛星的萬有引力就沒有風力的產生。由于多數大質量衛星的軌道接近木星赤道平面，如圖4 所示，因此木星衛星的運動引起的風多是東西風，很少是南北風[9-10]。

圖5 假想有兩個磁南極的木星磁場

雖然木星的偶極磁場非常強大，但相對于巨大的木星來說它是很有限的。事實上，木星極渦產生的偶極磁場很難覆蓋整個星球，特別木星是氣態巨星，木星的快速自轉產生了巨大的離心力，造就了木星兩極相對扁平，赤道隆起，因此兩極氣旋產生的偶極磁場的大部分磁力線都穿過赤道附近隆起的大氣層。這就容易使木星探測器覺得從木星北極磁場發出的一部分磁力線到了赤道附近就終止了。另外，赤道附近的大藍斑也是一個大氣旋，能產生強烈的偶極磁場，該磁場的北極指向地面，南極指向天空，這就會使木星探測器誤以為木星的偶極磁場具有兩個南極——一個在赤道大藍斑附近，另一個在木星地理南極，如圖5 所示。

3 結論

現有的比較有影響的行星磁場起源說都是沿襲地磁場的內部發電機學說來的，由于地磁場的內部發電機學說本身懸而未決、難以置信，因此現有的行星磁場起源說被引入了歧途，對于理解和解釋諸如木星磁場這樣復雜的磁場時顯得無能為力。于是，作者重新分析了木星的形成與演進過程及其內部結構與外部環境，找到了木星磁場的形成原因及其變化規律：在木星快速自轉的過程中，木星兩極產生了一系列強大的極渦，其中蘊含著強大的螺旋電流，從而形成強大的偶極磁場，這就是原始的木星磁場。隨著木星衛星繞木星周而復始地旋轉，一些質量和體積巨大的木星衛星又能從木星大氣渦旋里引出一些子氣旋，這些子氣旋通過吸收濃厚的云氣而形成強大的氣旋，產生一些新的磁場，疊加到原有磁場上便形成了木星的現有磁場，因此木星磁場是隨時間的推移和外部環境的變化而變化的。