地磁场与液核运动：科里奥利力对地球自转速度的影响及磁流体力学效应解析

地磁场

无论地核的动力来源如何，只要液态地核存在径向运动，由于深层物质的角动量较小，是内外层物质交换的结果，角动量守恒会导致外层旋转角速度减慢，内层旋转减慢。图层变得更快。从随地球旋转的坐标系来看，径向运动受到科里奥利力的作用。这个力矩在旋转轴方向上的分力就是改变内层和外层旋转速度的驱动力。为了考察角速度差沿径向的磁流体动力效应，将连续分布的角速度差简化为角速度不同的两层A和B。外层A的角速度为ωA，内层B的角速度为ωB。假设ωB>ωA，称为刚体液核模型。假设液核中存在原始的弱磁场。考虑到星际磁场弥漫在整个星际空间，这种原始磁场的存在是可能的。由于磁场的冻结效应，磁力线会随着地核移动。如图1所示，原磁场的磁力线会因A层和B层的差动旋转而被拉伸，形成沿纬圈方向的磁场。图1a显示了相对运动从半个周期[[Image:]]开始到一个周期[[Image:]]时磁力线被拉伸的过程。当然，随着磁力线拉伸，抵抗这种拉伸的磁力线中的张力也会增加。这个过程不断重复，直到磁力线张力产生的恢复扭矩与对流产生的机械扭矩（科里奥利力）相对平衡。磁场变成图1b所示的形状，相对角速度也将保持稳定状态。持续的。图1b所示液核中形成的磁场没有径向分量，磁力线完全位于同一球面上。该场称为环形场。

图1b所示的环形场在北半球和南半球具有相反的方向。该环形场的大小可以根据上述两个力矩的平衡来估计。考虑到磁场的冻结效应，传统观点认为地核内会存在很强的环形场。 Brad计算出的环形场可高达500高斯。最近，也有人对这种高强度环形场的存在提出了异议。由于环形场没有径向分量，无论它有多强，都不会对我们感兴趣的具有强径向分量的核外偶极子场做出贡献。上述过程不会向外界传输电磁能量。上述仅考虑了径向运动对应的差动旋转所产生的磁效应，而没有考虑径向运动本身的磁效应。与差动旋转类似，由于冻结效应，径向运动与环形场之间的相互作用将环形场向上拖动或弯曲，形成如图2所示的磁力线环。上述科里奥利力V = 2r × (V×w)，除了沿地球自转轴方向的力矩（改变液核的角速度）外，还会有一个垂直于自转轴方向的分量。这一刻将改变磁力线环从纬度方向（图1）扭曲到子午面。对于向上和向下运动，力矩的方向相反；同样，在南半球和北半球，力矩的方向也是相反的。因此，虽然向上和向下运动对应的磁力线环的方向相反，北半球和南半球的磁力线环的方向也不同，但在这个扭矩的作用下，子午面将按相同顺序逆时针方向排列（图3）。与环形场不同，扭曲磁场已经具有与初始弱磁场相同方向的分量。这些元素过程遍布整个液体核心。统计结果可能会加强原有的弱磁场。

上述过程称为 - 模型。除了这个模型之外，还有著名的 Brad--Lilli 过程，它与 模型具有相似的物理图像。 或 模型都可以通过求解线性磁流体动力学方程在数学上证明稳定发电机的存在。可见，即使是大大简化的物理图景也涉及地核中非常复杂的过程。一般的发电机过程会涉及地核内更为复杂的湍流运动，因此有人称之为“湍流发电机”。