多项研究称地球早期磁场可能是由地幔而非地核产生

一项新研究证实了一种非正统的说法，即早期地球的故事是由加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所的一位地球物理学家提出的。由来自克里普斯海洋研究所Dave Stegman、Leah Ziegler和Nicolas Blanc于2021年3月15日发表在《Earth and Planetary Science Letters》上的一项研究就早期地球地幔液态部分内部的磁场形成热力学提供了新观点并展示了该磁场的有效时间。

这篇论文提供了一个“打开大门的机会”以解决关于地球早期的不一致叙述。值得注意的是，它跟加州大学洛杉矶分校(UCLA)和亚利桑那州立大学的两项新研究相吻合，这两项研究扩展了Stegman的概念并以新的方式应用它。

Stegman指出：“目前我们还没有关于地球如何热演化的统一理论。我们没有这个概念框架来理解地球的进化。这是一种可行的假设。”

这三项研究是范式转变的最新进展，它们可能会改变人们对地球历史的理解方式。

地球的液态外核一直是产生磁场的发电机的来源，这一直是地球物理学的基本原则。磁场在地球和其他拥有液态金属内核的行星上形成、快速旋转并经历使热对流成为可能的条件。

2007年，法国的研究人员提出了一个根本性改变，即从地球诞生之初，地幔就一直是完全固态的。他们认为，在地球45亿年历史的前半部分，地球地幔底部的1/3必须是熔化的，研究人员将其称之为“基底岩浆海洋”。六年后，Stegman和Ziegler进一步扩展了这个想法、发表了首个展示曾是液态下地幔部分而非地核的研究成果。

地球的地幔是由硅酸盐材料组成，硅酸盐通常是一种非常差的导电体。因此，即使最下层的地幔在数十亿年里都是液态的，它内部快速的流体运动也不会产生产生磁场所需的大电流，这跟地球目前在地核中的发电机工作原理类似。Stegman的研究小组断言，液态硅酸盐实际上可能比人们普遍认为的更具导电性。

“Ziegler和Stegman率先提出了早期地球硅酸盐发电机的想法，”UCLA地球物理学家Lars Stixrude说道。这个想法遭到了怀疑，因为他们的早期结果“表明，只有当硅酸盐液体的导电性非常高时硅酸盐发电机才可能实现，这比在低压和低温下测量的硅酸盐液体中的导电性要高得多。”

由Stixrude领导的一个团队首次利用量子力学计算预测了基底岩浆海洋条件下硅酸盐液体的导电性。

根据Stixrude的说法--“我们发现了非常大的导电性值，大到足以支撑硅酸盐发电机。”UCLA的这项研究则已于2020年2月25日发表在《Nature Communications》上。

在另一项研究中，来自亚利桑那州立大学的地球物理学家Joseph O'Rourke应用Stegman的概念来揭开金星是否曾在熔化的地幔中产生磁场这个谜题。

这些新研究表明，这个前提已经开始站稳脚跟，不过还远未被广泛接受。

Stegman说道：“没有人会相信，除非他们自己着手，而现在，另外两位备受尊敬的科学家已经自己着手了。”

“Dave Stegman和他的合作者的开创性研究直接启发了我对金星的研究，”O'Rourke说道，“他们最近的论文帮助回答了困扰科学家多年的一个问题：地球磁场是如何存在了数十亿年的？”

如果Stegman的前提是正确的，这将意味着地幔可能为这个年轻的星球提供了第一个抵御宇宙辐射的磁场屏障。它还可以为研究地球上的构造是如何在历史上演化奠定基础。

Stegman说道：“如果磁场是在地核上方熔化的低地幔中产生的，那么地球从一开始就受到了保护，这可能会让地球上的生命更早出现。”

“最终，我们的论文是互补的，因为它们证明了基底岩浆海洋对类地行星的进化是重要的，”O 'Rourke说道，“地球的基底岩浆海洋已经凝固，但它却是我们磁场寿命的关键。”