研究地核無需挖洞，來點硫酸就行了

在一個玻璃穹頂中灌滿硫酸，將其置於世界上最強的磁場下，然後攪動硫酸，你就得到了一個地核模型，它揭示了地球磁場的產生機理。

地球物理學上的重大問題之一，就是地球如何產生並維持了磁場。目前的主流理論認為，地球外核的物質存在對流，導電物質對流產生了電流，接著電流產生了磁場。

但是，地球自轉也會影響地球外核物質的對流，因此，地核物質的實際流動特性其實極其複雜。

為了更好地研究地核物質的對流特性，物理學家們建立了很多地核流體實驗裝置。大多數實驗裝置是把液態金屬倒進扁平容器中，金屬模擬地核導電物質，對容器施加外部磁場，然後攪動液態金屬。但是這些裝置有明顯的局限性。液態金屬是不透明的，因此無法觀察液態金屬內部的對流演化情況。如果這種對流是液面和扁平容器底部之間的垂直對流，那麼還可以通過觀察液面狀態分析對流情況。

然而，如果對流發生在液體內部，且平行於液面，那麼觀察對流情況就變得非常困難。此外，計算機模擬也幫不上什麼大忙——由於對流機理是如此複雜，模擬結果和真實結果之間的誤差太大。目前，計算機模擬和實體物理實驗裝置都無法復現觀測到的地球磁場特徵。

科學家們認識到，需要開發一種新的實驗裝置，它必須允許去直接觀察導電物質的複雜對流能夠被直接觀察。

近日，英國考文垂大學的凱力克·安優格（Kelig Aujogue）領導的研究團隊宣布，他們開發了一種新的實驗裝置。該裝置的主體是一個裝滿透明導電液體的玻璃穹頂，他們聲稱，通過該模型可以首次模擬並觀察地核導電物質對流的複雜特性。

地核物質受到以下力的驅動：浮力，它推動了地核物質的流動（注1）；地球自轉產生的科里奧利力；還有電流和磁場相互作用產生的電磁力。

地球物理學家用埃克曼數來描述流體擴散特性。當埃克曼數較小時，流體中的擾動可以從源頭向周圍擴散，但是擴散過程極其複雜。

地核的埃克曼數非常小。目前最好的計算機模型可以模擬埃克曼數介於5-10之間時的地核流動情況，但是由於液態金屬的不透明性，模擬結果從來沒有得到過實驗數據的驗證。

安優格團隊設計的模型包括一個半球形的玻璃穹頂，裡面充滿了硫酸。穹頂扣在一個圓盤上，這個圓盤中央有個圓柱形的加熱器。被加熱的硫酸會浮到穹頂上層，然後冷卻，形成對流。

硫酸是一種導電性不錯的液體，但是在相同的磁場下，它受到的電磁力要比液態金屬低4個數量級。研究團隊為了補償這一點，將實驗設備置於強度達到10個特斯拉的磁場中，這個值比傳統液態金屬實驗使用的磁場大100倍。（注2）

目前，世界上只有法國格勒諾布爾高能磁場實驗室(Grenoble High Magnetic Field Laboratory)能產生這麼強的磁場，因此實驗團隊將設備布置在那裡。

硫酸需要在磁場中被攪動，這意味著實驗裝置的所有機械部件都必須用非磁性材料製造，因為導電材料和磁場相互作用會產生電流，這種電流會和硫酸流動產生的電流混淆，干擾實驗結果。

構建這個實驗裝置並非易事。首先，實驗裝置的部件必須能抵抗硫酸的腐蝕；其次，必須採取措施保證實驗人員的安全；最後，實驗數據必須能夠可靠採集。

為了分析硫酸的流動情況，實驗團隊採用了一種被稱為粒子圖像速度計的技術。激光雷達向硫酸發射激光，接收並記錄被硫酸中的氣泡和微小物質粒子反射回來的激光能量。通過分析收集的激光回波數據，科學家可以推斷硫酸的流動情況，並建立詳細的3D流體模型。

構建這個實驗裝置著實是一種挑戰，不過，它也會帶來豐碩的回報。安優格表示：「通過該裝置，人類可以首次對液體流動的驅動力進行精確控制，並通過圖像處理技術詳細記錄液體對驅動力的響應。我們發現，磁場對導電物質的對流模式有重要影響。」

該實驗的結果不僅對解釋地球磁場的演化有重要作用，其他太陽系天體，例如水星和木星的衛星甘美尼德（Ganymede）（注3），都擁有磁場和液態核心，因此硫酸實驗對天體物理學的研究也有助益。實驗團隊表示，通過改變實驗裝置的尺寸和溫度，他們可以模擬各種可能的行星液態內核。

通過硫酸穹頂實驗裝置和後繼工作，人類有望對地球液態核心的運行機理產生全新的認識。

注釋

注1：浮力產生對流的機理：用水壺燒開水時，水壺底部的水先被加熱。熱水密度較低，會升到上層，而上層的冷水密度較高，會沉到下層。如此這般，形成垂直對流。地核物質也存在類似的效應。地球內核溫度較高，地球外核與地幔底層的交界面溫度較低。因此地球外核的液態導電金屬（主要成為為鐵）在地球內核和地幔底層之間形成垂直對流。

注2：地表磁場強度僅僅為30-60乘10的負6次方特斯拉。

注3：甘美尼德是木星的最大衛星，也是太陽系中最大的衛星，其直徑超過水星。它是太陽系中唯一存在磁場的衛星。