地球磁场能够阻挡太阳风高能粒子及宇宙射线对地球生物圈的直接伤害，是影响地球宜居性演化的关键因素。古老岩石的剩磁记录表明，地球磁场至少已经持续存在了35亿年的时间，因此，地磁场的起源和演化机制不仅是地球科学领域的核心问题，也是Science期刊发布的125个尚未解决的前沿科学问题之一。100年前英国科学家Larmor提出太阳和行星磁场可能是其内部导电流体中，通过磁流体发电机而产生并维持，这一发电机理论成为目前普遍接受的地球磁场起源理论，但地球磁流体发电机在地核中的具体运行机制仍不甚清晰。自20世纪90年代以来，随着高性能计算机的发展，数值模拟成为研究地球磁场发电机过程的关键手段和方法，然而，受计算能力的限制，数值模拟采用的流体黏度则远高于真实地核流体，数值模型的可靠性受到极大制约。本研究基于完全谱方法的高度并行算法，实现全球体三维非线性磁流体力学方程的高效精确求解，完成了迄今为止最低黏度的地球磁场发电机模拟。
研究发现：当流体黏度逐渐降低时，发电机产生的对流速度、磁场强度和空间特征尺度均保持不变，表明黏性力在极低黏度条件下可忽略不计。分析结果还表明地球自转产生的科里奥利力主导形成沿自转轴的柱状对流结构；洛伦兹力整体与之量级相当，但在强磁场区会超越科里奥利力，破坏局部柱状结构。通过对洛伦兹力的轴向力矩的定量分析表明该模型近似满足J. B. Taylor 在1963年提出的忽略黏性力的理论约束，进一步验证了研究构建的地球发电机数值模型实现了无黏发电机模式。最后将模拟结果与地磁观测数据进行了系统对比分析，结果表明早期地球模型产生的磁场特征与前寒武纪古地磁记录整体上吻合，同时也能再现与现今观测相似的地磁场结构和强度。
这项研究通过开发先进数值算法和开展大规模数值模拟，揭示了地球发电机过程对流体黏度的不变性，实现了接近真实地核条件的无黏发电机模式，发现了早期地球模型能够产生与现今观测高度类似的地磁场结构和强度特征。研究成果为理解地球磁场起源和长期演化提供了重要理论依据。
发电机模型中的对流结构和力平衡分析
模拟结果与古地磁观测以及现今地磁场观测对比
核心PI
林玉峰 |
南方科技大学
|
1、2023-2027，国家自然科学基金原创探索项目，项目负责人；
2、2023-2027，科技部重点研发计划“火星圈层过程”，子课题负责人；
3、2022-2025，国家自然科学基金面上项目，项目负责人；
4、2020-2024，中科院先导专项，骨干成员；
5、2020-2022，国家自然科学基金青年基金项目，项目负责人；
文章信息：
上述研究成果发表于国际顶级期刊《Nature》。南方科技大学地球与空间科学系副教授林玉峰为论文第一作者兼通讯作者。该研究获得国家自然科学基金原创探索项目和欧洲研究委员会Horizon 2020等项目的资助。该研究中的数值计算得到瑞士国家超算中心(CSCS)和南科大科学与工程计算中心的支持。
论文发表：
Yufeng Lin, Philippe Marti & Andrew Jackson. Invariance of dynamo action in an early-Earth model. Nature.
点击文末“阅读原文”可查看相关原文。