科學人(第39期/2005年5月號): SM039
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地球是個發電機－－真實與虛擬共舞
地球磁場的起源與磁極方向的反覆改變，一直是難解的謎團。藉由NASA華人科學家的介紹，了解如何透過電腦模擬與實驗獲得解答。
撰文 趙丰（Benjamin Fong Chao）
宇宙間看似空空，實際上物質、能量、力，這些我們描述為「場」的，卻是無所不在地充斥在整個宇宙空間裡。以我們的太陽系為例吧，所有物質的行徑，大至太陽本身、行星、衛星，小至塵埃、粒子，都受到萬有引力（重力）的擺佈，這是眾所周知的。然而，所有的帶電粒子，包括宇宙射線、太陽風，行星周遭的電漿層、電離層，卻額外還受到磁場的限制約束。
照牛頓的說法，重力是所有具質量的物質都有的通性；而根據愛因斯坦的廣義相對論，重力則是指物質「扭曲」了周遭時空的結果。那麼，磁場又是打哪兒來的呢？讓我們來看看地球的例子。
中國人是最早發現磁針會指向北方這個現象，並且利用它來確定方位。而對於地球磁場的現代科學研究，則是起始於16世紀時英國吉伯特（William Gilbert）的永久磁鐵假說：敢情地球內部有個巨大的永久磁鐵，而使磁針總是順著指向北方？
而在另一方面，在19世紀西方電磁學發展以後，人們終於了解到什麼是磁場，以及產生磁場的過程與方法。要產生電磁場，一個有效的方法是利用將機械動能轉化成電磁能。這樣的機器裝置，在日常生活中通稱為「發電機」（dynamo）。我們一般家用的電就是如此來的，汽車裡的也是。不過，這樣的裝置必須是在永久磁鐵所產生的磁場中才行。
如果地球內部有一種類似的裝置，其伴生的磁場可以替代永久磁場，循環自生而不滅，那麼就有可能解釋地球的磁場。這就是地球發電機（geodynamo）理論。然而，地球有可能是這樣一個大發電機嗎？
受限於人們對地球內部的所知有限，這兩種說法就一直擱置著。再說，磁性物質如何具有永久磁性，硬是等到了20世紀，原子論與量子論出現以後，才得到解釋。
就在時序進入20世紀中葉，隨著對於地球的了解逐漸增加，永久磁鐵這個選項竟然很輕易的就被拋棄了。因為永久磁鐵有所謂居里溫度（Curie temperature）的限制，超過這個溫度時，磁鐵的永久磁性就會自動消失。居里溫度通常約在攝氏數百度左右，但是地球內部的溫度，除了表層以外，只要深度達到約100公里（地球半徑的1~2%），溫度就已經超過攝氏1000度了！
既然不是永久磁鐵，那麼地球是個大發電機了？逐漸，科學家開始認真考慮這個選項，而且是「越看越有趣」。大自然在此展現了無比奇妙的想像力，把地球這樣的行星，塑造成一個如假包換的發電機。讓我們來看看，它必須具備哪些條件。
首先，地球內部必須要有大團的導體物質。它要能夠流動；還要有足夠的動力和能量來驅動、並且長期維持這樣的流動。而這些基本條件，地球居然同時都具備了！
這得追溯自宇宙形成過程中的許多現象。行星是聚合了星體爆炸後的遺物而形成，而宇宙中的這些遺物，有許多的成份是鐵。這是因為鐵是原子核位能最低的元素，因此是恆星核融合反應最後的主要產物。在這些遺物聚合之後，內部的分層過程使比重較大的鐵聚集在球體核心。而聚合的過程中，巨大的重力位能轉換成熱能，使溫度不斷提升，鐵核心因而熔融成液態。地球內部可能存在的核衰變反應，產生放射性核能而提供額外的熱能，再加上地球外層逐漸冷卻，在冷熱差異的情形下，液態的鐵心便產生對流。
地球的體積要夠大、而且鐵核心的對流要夠強，加上地球自轉的推波助瀾，最後才能成為自發性、永續的發電機，進而產生磁場。證諸其他行星與衛星，其中有許多均帶有磁場。沒有磁場的，包括了火星、月球（主要原因是質量太小、已經冷卻）與金星（自轉太慢而不利於磁場的自生）。
這樣強大的「發電機」，想要在實驗室裡複製出來，可說是難上加難；但是在強大的電腦裡，卻能以數據來模擬。這牽涉到磁流體動力學（magneto-hydrodynamics），在重力場和旋轉的三維空間中，極其繁複的非線性數學計算。類似這樣的電腦數學模擬計算不勝枚舉，有幾個較為淺顯的例子，例如：用電腦來預報天氣的變化與颱風的行徑，或是模擬原子彈試爆的影響、飛機在氣流中的飛行、星系的演化以及城市的交通等。
大約在10年前，終於首度成功在電腦裡，模擬出地球磁場的產生（也就是所謂地球發電機模型）的是本期〈地球磁場即將反轉？〉一文的作者格拉茲麥爾（Gary Glatzmaier）和其合作者羅伯茲（Paul Roberts）。更加有趣的是，他們的這項模型不但模擬出地球發電機，而且還模擬出大自然的另一件傑作──地球磁場的自發反轉現象。這是非線性數學裡混沌（chaos）現象的一項體現，在該篇文章中述之甚詳。