研究揭示了两个发电机驱动木星的磁场

木星切开：磁场线说明了行星内部磁场的高度复杂性，但是，磁场的复杂度迅速下降到金属层之外（黑线）。在表面上，相对于旋转轴倾斜十度的偶极部分占主导地位。磁力线的粗细是局部磁场强度的量度。在赤道区域，一股射流在过渡到金属层时产生具有明显的东西方向取向的磁场线束。彩色轮廓代表径向表面场。红色表示场线向外，蓝色表示向内；绿色表示弱场。这些部分的颜色编码表示东西方向的磁场-红色表示向东，蓝色表示向西。MPS J.Wicht

借助计算机仿真，一组科学家现已成功地解释了木星内部深处的磁场起源。

最高级是木星星球的商标。围绕太阳系最大成员的云顶边缘的磁场大约是地球的十倍，并且是迄今为止行星周围最大的磁层。尽管两个天体的内部结构完全不同，但为什么该场的结构与我们自己星球的结构相似，却使研究人员迷惑了很长时间。借助迄今为止最详细的计算机模拟，由位于哥廷根的马克斯·普朗克太阳能系统研究所领导的研究小组现已成功地解释了气态巨人内部深处的磁场起源。

电流流动时总是会产生磁场。地球被磁场围绕着，因为在其内部深处，存在着循环的铁和镍的熔融物质。这种运动会产生电流，该电流产生地球熟悉的偶极磁场，其方式与自行车发电机的运行方式大致相同。物理学家称其为地球发电机。但是木星内部的发电机是如何工作的呢？

木星主要由氢和氦组成。这颗行星的照片显示出彩色的云带和巨大的龙卷风，例如“大红色斑点”。上层云边界的温度为负100摄氏度，但温度，压力和电导率随深度的增加而极大地增加。

在不到10,000公里的深度和数百万个大气压的压力下，氢甚至像金属一样具有导电性–地球上不存在的一种奇特的物质状态。目前尚不清楚在行星中心是否有岩石核。它可能达到木星半径的20％左右-相当于14,000公里。

以前关于磁场形成的计算机模拟必须极大地简化这种复杂的结构。例如，分别对上部气体区域和下部金属区域进行处理。因此，没有任何计算能够正确地再现由空间探针确定的磁场强度和形式。

“几位同事认为，在过渡到类似金属的导电氢区域时，某些物理量会突然改变，”哥廷根马克斯·普朗克太阳能系统研究所的项目负责人约翰内斯·维希特（Johannes Wicht）说。但是罗斯托克大学同事的新模型似乎证明事实并非如此。性能在整个气体层上逐渐变化，因此很难证明对外部区域和内部区域进行单独处理是不合理的。

向前迈出的重要一步是，基于哥廷根的物理学家第一次在同一模拟中处理了行星的所有区域。为此，马克斯·普朗克学会（Max Planck Society）在Garching的大型Hydra超级计算机不得不花大约六个月的时间进行计算。

结果令人印象深刻：由于太空探测器已经确定了木星的磁场，它或多或少地描绘了木星的磁场。威奇特说：“磁场的主要部分看起来与地球的磁场非常相似，是在行星内部产生的，其属性不再如此强烈地变化。”

新的模拟表明，第二个较弱的发电机也处于活动状态。它在赤道附近的金属层的过渡区中工作。它是由吹向东方的强风（所谓的急流）引起的，可以从云运动中识别出来。在大气的外部凉爽区域中，由于此处的电导率太低，尚不可能产生磁场。

但是在更深的地方温度会升高，并且从云层下方约8000公里处开始，由于形成了等离子体，其电导率足够高，足以使发电机开始工作。

“至关重要的是风速和电导率的乘积，”加拿大埃德蒙顿艾伯塔大学的莫里茨·海因佩尔（Moritz Heimpel）解释说。一旦超过特定值，就会形成磁场。马克斯·普朗克太阳系研究所的研究人员托马斯·加斯汀说：“射流在东西方向上剪切磁场，并在赤道区域产生特征性的磁带结构。”

“为了描绘所涉及的两个发电机过程的特殊特性，对行星的内部特性进行尽可能准确的建模尤为重要，” Lucia Duarte补充说，她在Max博士的工作期间进行了首次计算哥廷根的普朗克研究所。

因此，形成了两个磁场，它们叠加在一起：在金属状导电氢的深层中像地球一样的磁场，以及由赤道射流产生的较弱的能带结构。Thomas Gastine说：“类地磁场的强度和结构与空间探测器迄今提供的测量数据相对应，这无法解析出能带结构。”

这些模拟跨越了大约6,500年的时间，并且还揭示了变化。例如，磁场强度应变化，并且轴的倾斜度每年应变化约0.02度。Juno空间探测器不久将有可能检查此情况以及新模型预测的其他属性。

美国太空船于三年前发射升空，定于2016年8月进入这颗巨大行星的轨道。Johannes Wicht说：“有了新的测量数据，我们将获得比迄今为止更多的关于内部结构和磁场的信息，并有望确认波段结构。”

出版物：T. Gastine等人，“解释木星的磁场和赤道射流动力学”，《地球物理研究快报》，2014年； DOI：10.1002 / 2014GL060814

研究报告的PDF副本：解释木星的磁场和赤道射流动力学

图像：MPS J.Wicht