Nature:木星奇特磁场的发现暗示其内部复杂的发电机效应

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  Nature:木星奇特磁场的发现暗示其内部复杂的发电机效应。

  太阳系行星中,木星的磁场最强,其强度是地球的10倍以上,其控制区域(磁层)可以延伸至土星轨道。

  以往人们普遍认为:

  木星磁场像地球一样,是由其内部磁场发电机产生的。但与固体地球的显著区别是,作为气态行星,木星的对流驱动区域位于内部边界不明显的金属氢层。

  研究木星的磁场及其内部发电机工作原理有助于我们了解行星的起源与演化。然而,我们对它的内部结构、动力学过程甚至连产生磁场的发电机效应位置等基本科学问题都不清楚。

  2011年,以这个基本科学问题为探测目标,美国宇航局(NASA)发射了“朱诺号”(JUNO)木星探测器。2016年,JUNO进入环木星轨道,成为最接近木星极区表面的探测卫星。卫星配备了高精度的磁场和引力场探测,用于研究木星内部结构及物质运动过程。最新的磁场观测发现,木星磁场显著区别于其它已知的行星磁场,它的内部发电机效应远比我们想象的复杂。

  美国科学家Kimberly Moore等近期在Nature上发表最新研究成果,利用JUNO近木星空间径向磁场的水平拉普拉斯算子的二范数,并将解正则化,从给定的观测拟合中获得最平滑的内部磁场模型(图1),首次绘制出了木星表面到0.85木星半径(该深度推测为金属氢层的过渡区位置)的不同深度的径向磁场分布图(图2)。

  

  图 1木星内部磁场模型。轮廓曲面位于0.85木星半径深度;红色(蓝色)表示该深度磁力线方向向外(向内)(Moore et al., 2018)(更直观的三维磁力线形态可参考这个视频)

  

  图 2木星磁场在不同内部深度的径向分量分布图。自上往下分别为木星表面、0.95、0.90和0.85木星半径深度的径向磁场图。左图为内部磁场模型(Moore et al., 2018)。结果,右图为当前最新的磁场球谐函数模型(Connerney et al.,2018)的外推结果。两模型的结果均呈现类似的径向磁场分布特征,但内部磁场模型的磁场强度稍大 。

  研究发现,在木星内部,大部分磁通量通过北半球的一个狭窄地带离开发电机效应(Dynamo)区域,并在赤道附近的“大蓝斑(Great blue spot)”重新进入木星,而在其它区域磁场明显减弱。和地球磁场完全不同的是,木星非偶极磁场几乎全部位于北半球,其峰值大小是偶极场的近3倍;而南半球主要呈现偶极磁场特征(图3)。

  现有的各种磁场发电机理论模型均不能解释观测到的磁场南北不对称现象。文章认为木星的磁场发电机明显区别于地球,并不是发生在一个均匀的厚壳内,由此推测,这种奇特的行星磁场特征可能是由内部结构或相关物理参数的径向变化造成的。该发现刷新了我们对木星磁场的原有类似地球的近似偶极场的认识,同时对我们接下来深入理解气态行星发电机理论具有重要的指导意义。

  图 3木星(0.9木星半径处,左)与地球(核幔边界,0.55地球半径处,右)非偶极磁场径向分量分布比较(Moore et al., 2018) 。

  除了磁场观测以外,从空间引力场来获取木星内部结构特征及对流发电机效应的线索是另一个重要的途径。上海天文台孔大力研究员团队已对该方法进行了数值模拟先验研究(Kong et al., 2016)。

  他们研究预测木星发电机区域内的对流运动将产生非旋转对称的空间引力场扰动,该扰动将会在JUNO卫星引力场探测中得以验证。行星空间磁场探测到的仅仅是行星内部发电机产生的极向场部分,发电机区域内部可能存在的很强的环向分量并不能被直接观测到,而环向分量磁场的大小取决于不同的发电机模式,由此产生的截然不同的引力场扰动形态恰好可以通过JUNO飞船的空间引力场测量加以甄别。

  孔大力说:“现阶段还没有获得全部的引力场数据,JUNO计划后续的探测将得到足够的探测数据,结合高精度磁场观测将会得到对木星内部结构和发电机理论更加全面的认识,可能是JUNO下一个重大的发现。”

  相关参考文献

  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.

  2.Kong D, Zhang K, Schubert G. Using Jupiter’s gravitational field to probe the Jovian convective dynamo[J].Scientific reports, 2016, 6: 23497.

  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.

  【感谢上海天文台孔大力研究员对本文的完善】

  (撰稿:钟俊)

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