互动科普

太阳系里面，有的天体有磁场，有的没有磁场。比如，现在的月球基本没有磁场；地球有非常完美的南北极磁场；火星的磁场较弱，而且不同地区的磁极方向不一致，是一个多极磁场。

天体的磁场说起来复杂，其实原理很简单。我们知道，电荷的运动会产生电流，电流的周围会产生磁场，因此磁场是由运动电荷或电场的变化而产生的。有的天体其内部处于液体状态（高温熔融或高压液化），电荷的流动形成环状电流，进而产生磁场。有的天体内部已经固化，没有大规模电荷的运动，所以也就没有磁场了。天体的磁场不是一成不变的，不仅磁场强度会增强、减弱甚至消失，而且磁极方向也会变化，甚至产生磁极倒转。磁极的变化是由于天体内部电荷流动的方向发生变化。磁极逆转的时机和周期目前仍不清楚，推测可能是天体内部和不同天体之间动力学的影响而导致的。

月球表面的磁场非常微弱，磁场强度仅为5×10^-9特斯拉，相当于地球磁场强度的万分之一。但根据阿波罗计划宇航员登月采回的月海玄武岩的磁性研究，表明月球曾经有过全球性磁场。当这些岩石还是熔融状态的岩浆时，受到当时全球性磁场的磁化，岩浆中的带电离子按照磁场方向定向排列，使月海玄武岩记录下历史上的月球磁场。那么，月球磁场是如何产生的呢？

解释月球磁场起源的“发电机模型”认为：大约39亿年前，大型撞击砸穿月壳，来自深部的玄武岩岩浆上涌，在月球次表层形成一层由高密度物质组成的“保温层”。玄武岩岩浆中放射性元素含量较高，其衰变过程释放出大量的热。“保温层”就像电热毯一样裹住月球内核并加热深部物质，使铁镍硫化物组成的金属内核熔融，形成液态月核。液态月核随月球的自转产生电流，进而产生全球性的磁场。美国麻省理工学院的行星科学家本杰明·维斯给出的新证据表明，月球内核在35亿年前曾经是一个强大的“发电机”，源源不断地循环并产生磁场，月球全球性磁场的持续时间长达10亿年之久。这种超级“发电机”被称为磁流体动力发电机。地球内核中至今仍有这样一个发电机在运转，使地球得以保持近乎完美的全球性磁场。

图. 地球超级发电机原理

月球岩石不仅记录了当时的月球磁场，也记录了月球磁极倒转的信息。地球磁场每隔几十万至几百万年也会发生磁极倒转，如今的地磁北极在倒转后将变成地磁南极。届时，现在的指南针就不再指南，而是指向现在的北极了。

曲终人散总有时。大约25亿年前，经过多次衰变，“保温层”中的放射性元素含量降低，产生的热量减少，月核逐渐冷却固化，电荷的运动逐渐停滞，电子不再迁移形成电流，全球性磁场渐渐消失。此后，月球表面在小天体撞击和地球磁场的影响下形成了月球如今不规律分布的极弱的磁场。

放射性元素的衰变产生大量热能，正是这些能量支撑着当时的月球和现在的地球内部长期处于高温熔融状态。但地球内部的放射性元素的含量将逐渐降低，释放的能量终将衰竭，地球内部也将像月球一样逐渐冷却、固结。届时，地球的全球性磁场也会逐渐减弱，并最终消失，地球磁场将无法再帮助人类屏蔽来自太阳、银河系和宇宙的高能带电粒子。如何躲避和防护高能带电粒子，将是生活在地球上的人类需要面对的现实问题。

当然，也有科学家对月球是否曾经拥有过全球性磁场表示怀疑，认为月球岩石中的磁性是被来自宇宙的炙热等离子体磁化后留下的，并非是月球自身磁场留下的记录。月球是否存在过全球性磁场，是由月球内部的能量状态决定的，与月球的起源密切相关。因此，关于月球磁场的争论仍将继续。

我们探测太阳系内的月球、各大行星和其他各种类型的天体，除了满足人类的好奇心之外，更重要的是为了地球和人类的长远发展。怎样才能预测地球磁极翻转？下一次地球磁极翻转何时出现？地球内部的超级“发电机”还能维持多久，何时将会熄灭？地球磁场减弱和消失的过程将持续多久？这是行星科学面临的重大问题，如果能够解开月球磁场消失的谜团，也将有助于我们预测地球磁场未来的演化。

（本文发表于《科学世界》2015年第6期）