[太阳系] 水星的磁场

  水星有没有磁场?70年代以前,也是谁都不知道.而一般估计,这么小的一个天体大概是不会有磁场的.


  1973年11月,第一个也是到目前为止唯一的一个水星探测器发射成功,它的既定考察任务中,有一项就是探测水星究竟有没有磁场.它就是美国的"水手10号"探测器.探测器曾经3次从水星上空飞过,那是在1974年的3月29日和9月21日,以及1975年3月16日.


  "水手10号"第一次飞越水星时,最近时距水星只有720多公里.探测器上的照相机在拍摄布满环形山的水星地貌的同时,磁强计意外地探测到水星似乎存在一个很弱的磁场,而且可能是跟地球磁场那样有着两个磁极的偶


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  极磁场.水星表面环形山和磁场的发现使科学家很感兴趣,因为这些都是前所未知的.但是,磁场的存在必须得到进一步的证实,这就要等待到"水手10号"与水星的另一次接近.


  "水手10号"探测器的飞行轨道是这样安排的:在到达水星区域时,它每176天绕太阳转一圈.我们知道,水星每88天绕太阳一周,也就是说,水星每绕太阳两圈,"水手10号"来到水星附近一次,飞越水星并进行探测.


  "水手10号"第二次飞越水星时,距表面最近时在48000公里左右,对水星磁场没有发现什么新的情况.为了取得包括磁场在内的更加精确的观测资料,科学家们对探测器的轨道作了校准,使它第三次飞越水星时,离表面只有327公里,而且更接近水星北极.观测结果是十分令人鼓舞的:水星确实有一个偶极磁场.从最初发现到完全证实,刚好是一年时间.


  水星的偶极磁场与地球的很相像,极性也相同,即水星磁场的北极在水星的北半球,其南极在南半球.


  水星磁场有多强呢?


  磁场强度一般用一种叫做"高斯"的单位来表示,水星赤道上的磁场约0.004高斯,两极处略微强些,约0.007高斯.跟地球磁场强度比较一下就更清楚些,地球表面赤道上的磁场强度在0.29~0.40高斯之间,两极处的强度也略大,地磁北极约0.61高斯,南极约0.68高斯.大体上说来,水星表面磁场的强度大致是地球的1%.与地球磁场相比,水星磁场强度不算高,更不要说与其他强磁场行星——木星和土星相比了.但是,除了这三颗行星之外,在太阳系的其余行星中,水星还是可以称得上是有较强磁场的一颗行星.


  水星磁场与地球磁场还有一点很相像的地方,那就是磁轴与自转轴并不重合,两者互相交错而形成一个夹角,水星的这个角度是12度,而地球则是11度多.磁轴指的是北磁极和南磁极之间的连线.


  既然存在磁场,磁场在太阳风的作用下肯定会被局限在一定的范围内,这个范围就是所谓的磁层.太阳风基本上不可能进入到磁层里面.水星和地球都有磁场,也都有磁层,水星磁层冲着太阳那面的边界——磁层顶到水星中心的距离,大致相当于1.45个水星半径,地球磁层顶到地球中心的距离约11个地球半径.所不同的是,地球磁层是不对称的,有点像是条头大尾小的大"鲸鱼",而且"尾巴"拉得很长;水星的磁层则是比较对称的.


  水星有一个基本上与自转轴平行的偶极磁场,虽然磁场强度比地球的弱,但两者却很相似.人们首先想到的是,它们磁场的成因也许也是相似或相同的.


  那么,地球磁场是怎么形成的呢?


  关于地球磁场的成因,有好多种说法,是个在进一步探讨中的问题.从本世纪50年代开始,所谓的"自激发电机"假说获得越来越广泛的赞同.多数人认为它不失为是个比较可以接受的理论.这个假说的依据是这样的:(1)地核物质是流体,高温,具有良好的导电性能;(2)在极高的压力下,地核物质性质发生了变化,即使在高温时仍能保持弱的磁性;(3)地核物质在不断地流动着和运动着.在这种情况下,流体地核物质在弱磁场内的运动,一方面不断地产生电流,同时,所产生的电流反过来使原来的弱磁场不断得到加强.因此,地核就好像我们平常所说的发电机那样,有效地工作着.这就是所谓的"自激发电机"假说.


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  那么,水星的磁场是不是像地球那样,由"自激发电机"或某种类似于"自激发电机"的效应而产生的呢?


  水星磁场在外观上跟地球磁场很相像,水星的平均密度很大,每立方厘米5.46克,在太阳系九大行星中仅仅比地球小一些,说明它也有类似地球那样的铁核.地核直径约7000公里,占地球体积的16.2%,质量大体是地球总质量的31%.据估计,水星铁核包含着水星全部质量的70%~80%.这样的话,铁核的直径就该有3600公里.按比例来说,水星的铁核要比地球的地核大得多.


  "自激发电机"假说要求行星的核心物质呈液态,可是,根据对水星的观测和研究结果来看,它的内部很可能早就是固体了,当然就不可能以"自激发电机"那样的效应来产生磁场.


  正是由于这样的考虑,在"水手10号"探测器飞临水星和对水星进行探测之前,没有人认为水星会有磁场.


  水星有磁场,这是事实.如何理解呢?


  有人认为:在水星形成的早期历史阶段,它的液态核心还没有凝固,水星磁场是在那个时候产生的,并一直保留到现在.这种观点遭到许多人的反对,认为根本是不可能的.主要理由是:在过去的几十亿年当中,由于放射性元素产生热能,或者其他像陨星袭击等原因,使得水星内部相应部位的温度上升到物质丧失磁性所必需的最低温度之上,从而使残留下来的磁场完全消失.所以,即使当时保留了部分磁场,现在也早已消失了.


  还有人认为,水星与太阳风持续不断地相互作用,也许会由此而产生磁场.对这种主张的深入研究结果表明,这种相互作用虽然会由感应而产生磁场,但不可能产生与自转轴平行的对称性磁场.


  看来,水星磁场是由某种我们还没有想到或还不理解的原因造成的,这还是个难解的谜.不仅如此,有待完善的磁场成因理论,还必须能同时回答:地球磁场是怎么产生的?为什么有的天体没有磁场?为什么金星有一个比水星更大更热的内核,却没有明显的磁场等等问题.


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