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【前沿報道】Nature:木星奇特磁場的發現暗示內部復雜的發電機效應
2018-09-25 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  太陽系行星中,木星的磁場最強,其強度是地球的10倍以上,其控制區域(磁層)可以延伸至土星軌道。以往人們普遍認為,木星磁場像地球一樣,是由內部磁場發電機產生的。但與固體地球的顯著區別是,作為氣態行星,木星的對流驅動區域位于內部邊界不明顯的金屬氫層。 

  研究木星的磁場及其內部發電機工作原理有助于我們了解行星的起源與演化,然而,我們對它的內部結構及動力學過程,甚至連產生磁場的發電機效應位置等基本科學問題都不清楚。2011年,以這個基本科學問題為探測目標,美國宇航局(NASA)發射了朱諾號JUNO)木星探測器。2016年,JUNO進入環木星軌道,成為最接近木星極區表面的探測衛星。衛星配備了高精度的磁場和引力場探測,用于研究木星內部結構及物質運動過程。最新的磁場觀測發現,木星磁場顯著區別于其它已知的行星磁場,它的內部發電機效應遠比我們想象的復雜。 

  美國科學家Kimberly Moore 等近期在Nature發表最新研究結果,利用JUNO近木星空間徑向磁場的水平拉普拉斯算子的二范數,并將解正則化,從給定的觀測擬合中獲得最平滑的內部磁場模型(圖1),首次繪制出了木星表面到0.85木星半徑(該深度推測為金屬氫層的過渡區位置)的不同深度的徑向磁場分布圖(圖2)。 

1 木星內部磁場模型。輪廓曲面位于0.85木星半徑深度;紅色(藍色)表示該深度磁力線方向向外(向內)(Moore et al., 2018)(更直觀的三維磁力線形態可參考這個視頻 

2 木星磁場在不同內部深度的徑向分量分布圖。自上往下分別為木星表面、0.95、0.900.85木星半徑深度的徑向磁場圖。左圖為內部磁場模型(Moore et al., 2018)結果,右圖為當前最新的磁場球諧函數模型(Connerney et al.,2018)的外推結果。兩模型的結果均呈現類似的徑向磁場分布特征,但內部磁場模型的磁場強度稍大 

  研究發現,在木星內部,大部分磁通通過北半球的一個狹窄地帶離開發電機效應(dynamo)區域,并在赤道附近的大藍斑(great blue spot重新進入木星,而在其它區域磁場明顯較弱。和地球磁場完全不同的是,木星非偶極磁場幾乎全部位于北半球,其峰值大小是偶極場的近3倍;而南半球主要呈現偶極磁場特征(圖3)?,F有的各種磁場發電機理論模型均不能解釋觀測到的磁場南北不對稱現象。文章認為木星的磁場發電機明顯區別于地球,并不是發生在一個均勻的厚殼內,由此推測,這種奇特的行星磁場特征可能是由內部結構或相關物理參數的徑向變化造成的。該發現刷新了我們對木星磁場的原有類似地球的近似偶極場的認識,同時對我們接下來深入理解氣態行星發電機理論具有重要的指導意義。 

3 木星(0.9木星半徑處,左)與地球(核幔邊界,0.55地球半徑處,右)非偶極磁場徑向分量分布比較(Moore et al., 2018 

  除了磁場觀測以外,從空間引力場來獲取木星內部結構特征及對流發電機效應的線索是另一個重要的途徑。上海天文臺孔大力研究員團隊已對該方法進行了數值模擬先驗研究(Kong et al., 2016)。他們研究預測木星發電機區域內的對流運動將產生非旋轉對稱的空間引力場擾動,該擾動將會在JUNO衛星引力場探測中得以驗證。行星空間磁場探測到的僅僅是行星內部發電機產生的極向場部分,發電機區域內部可能存在的很強的環向分量并不能被直接觀測到,而環向分量磁場的大小取決于不同的發電機模式,由此產生的截然不同的引力場擾動形態恰好可以通過JUNO飛船的空間引力場測量加以甄別?,F階段還沒有獲得全部的引力場數據,JUNO計劃后續的探測將得到足夠的探測數據,結合高精度磁場觀測將會得到對木星內部結構和發電機理論更加全面的認識,可能是JUNO下一個重大的發現,孔大力說。 

 

  相關參考文獻 

  1. Moore K M, Yadav R K, Kulowski L, et al. A complex dynamo inferred from the hemispheric dichotomy of Jupiter’s magnetic field[J]. Nature, 2018, 561(7721): 76-78.原文鏈接 
  2. Kong D, Zhang K, Schubert G. Using Jupiter’s gravitational field to probe the Jovian convective dynamo[J]. Scientific reports, 2016, 6: 23497.原文鏈接 
  3. Connerney J E P, Kotsiaros S, Oliversen R J, et al. A New Model of Jupiter's Magnetic Field From Juno's First Nine Orbits[J]. Geophysical Research Letters, 2018, 45(6): 2590-2596.原文鏈接    

  【感謝上海天文臺孔大力研究員對本文的完善】

  (撰稿:鐘俊

 
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