近日，南方科技大学地球与空间科学系副教授林玉峰与合作者在地球磁场起源理论研究方面取得重要进展。研究揭示了地球发电机对地核流体黏度的不变性，并且发现早期地球模型可产生与现今观测高度相似的地磁场结构和强度。相关成果以“Invariance of dynamo action in an early-Earth model”为题在国际顶级学术期刊Nature上在线发表。

地球拥有以偶极子为主的全球性磁场，地磁场能够阻挡太阳风高能粒子和宇宙射线对地球生物圈层的直接侵袭，是影响地球宜居性演化的关键因素之一。古老的岩石剩磁记录表明地磁场至少已存在35亿年，地球磁场的起源和演化机制是地球科学领域的核心科学问题，也是Science期刊发布的125个尚未解决的前沿科学问题之一。1919年英国科学家Larmor提出太阳和行星的磁场可能在其内部导电流体中产生，并通过磁流体发电机机制维持运转。发电机理论是目前广为接受的地球磁场起源假说，但地球发电机在地核中的具体运行机制仍不清楚。

自20世纪90年代以来，随着高性能计算的发展，数值模拟成为研究地球发电机过程的关键手段。1995年，美国科学家首次实现三维自持发电机模拟，成功再现地球磁场的主要特征及磁极倒转现象。此后，国际上多个研究团队通过不同参数条件下的模拟研究，为地球发电机机制的理解奠定了重要基础。然而，受计算能力限制，数值模拟采用的流体黏度远高于真实地核流体，其差异制约了数值模型的可靠性。另外，现有数值模型多采用基于现今地核结构的球壳模型，而古地磁和热演化的研究表明在大多地质历史时期，地球发电机是在液态地核中运行。因此，地球发电机在固体内核形成之前的运行机制及其产生的磁场结构尚不明确。

图1.地球发电机模拟主要输出参数随流体黏度的变化

 针对上述问题，研究团队开发了基于完全谱方法的高度并行算法，实现了全球体三维非线性磁流体力学方程的高效精确求解。利用该算法，团队构建了适用于早期地球的磁场发电机模型，完成了截至目前最低黏度的地球发电机数值模拟。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（图1），表明黏性力在极低黏度条件下可忽略不计。这项研究通过直接数值模拟的方法，揭示了地球发电机对于黏度的不变性，从渐近分析的层面实现了接近真实地核条件的无黏发电机（inviscid dynamo）的理论突破。

图2.发电机模型中的对流结构和力平衡分析

 研究团队进一步深入分析了极低黏度发电机模型的力平衡关系。分析结果表明，地球自转产生的科里奥利力在形成沿自转轴的柱状对流结构方面起主导作用；洛伦兹力在整体上与科里奥利力量级相当，但在强磁场区洛伦兹力会超越科里奥利力，进而破坏局部柱状结构（图2）。通过对洛伦兹力的轴向力矩定量分析表明，该模型近似满足J.B.Taylor 在1963年所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达成了无黏发电机模式。

图3.模拟结果与古地磁观测以及现今地磁场观测对比 

研究团队最后将模拟结果与地磁观测数据进行了系统对比分析。研究采用轴向偶极矩、偶极/非偶极比和磁能谱等关键参数进行定量分析，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总体上吻合，同时还能重现与现今观测相似的地磁场结构和强度（图3）。这一发现表明地球发电机能够在数十亿年的时间尺度上维持以轴向偶极子为主的稳定地磁场，为古地磁场的重构以及理解地球磁场的长期演化提供了重要理论依据。 

研究通过开发先进数值算法和开展大规模数值模拟，揭示了地球发电机机制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模拟，并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。该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。

南方科技大学地球与空间科学系、复杂流动及软物质研究中心双聘副教授林玉峰为论文第一作者和通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。合作者包括瑞士苏黎世联邦理工学院Philippe Marti博士和Andrew Jackson教授。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。该研究中的相关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。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09334-y

供稿：地球与空间科学系

主图：林玉峰

通讯员：黄惠婧

编辑：任奕霏