本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
地球磁场的微缩版本对于科学家来说是否过于庞大而难以处理？
在“科学难度过高？”系列中，我采访了科学家们，了解他们渴望探索但认为无法研究的想法。例如，这些想法可能涉及超出可能性的机器，例如像星系一样大的设备，或者它们可能完全不道德，例如像实验室老鼠一样在儿童身上做实验。此专题旨在探讨不可能的梦想，以及科学中看似棘手的问题。然而，“科学难度过高？”结尾的问号表明，没有什么是不可能的。
科学家：埃里克·金，加州大学伯克利分校地球与行星科学米勒研究员。
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想法：地球磁场可能对生命的进化至关重要，保护我们的星球免受太阳辐射的影响，否则太阳辐射可能会剥离我们的大气层，并使早期生物容易受到来自太阳的危险辐射的伤害。事实上，火星磁场的消失很可能是其大气层逐渐消失的原因，显然使这颗红色星球变成了一个死寂的世界。但是，地球磁场是如何形成的，以及火星磁场为何消失仍然是一个谜，“因为我们不太确定行星磁场产生的细节，”金说。
地球的全球磁场或磁层来自其发电机——行星液态金属核心中导电的流体，这些流体由于地球诞生时遗留下来的热量对流而湍流流动。为了更多地了解地球的发电机，科学家们理想情况下希望创建一个模型版本。
问题：开发地球发电机微缩版本的困难主要来自行星核心的巨大尺寸。将其缩小到模型尺寸需要其他因素，例如热量或其旋转速度，变得极其极端，以至于不可能实现。
“假设我们有一个装满液态金属的 100 米直径的球体，”金说。“这已经是 Epcot 中心的球形标志的两倍大，这将是一项重大的技术成就。但是，如果有足够的资金，这并非不可能。”
“此后出现的第一个问题是球体中的重力完全错误——地球表面的球体感受到向下的重力，但行星中的重力加速度是径向向内的，”他继续说道。“我们可以在一定程度上通过旋转球体来克服这个问题。旋转足够快，离心加速度将克服重力。”
“您可能会指出，离心加速度指向外部，”他说。相比之下，地球的核心具有指向内部的重力，以及向外辐射的热量。为了补偿，“我们的核心模型可以设计为具有向外的重力和向内的热通量——这在大量热量的情况下技术上很困难，但在数学上是相同的。”
然而，“这就是它开始变得对科学来说太难的地方，”金解释说。为了实现与地球核心的真正动态相似性，首先，“我们的球体必须以惊人的速度旋转才能匹配核心动力学——每分钟超过 100,000 转。这意味着我们 100 米直径的球体在其赤道处的移动速度约为每小时 100,000 英里——那是音速的 3,000 倍。” 尽管如此，如果这成为可能，由于这种人造重力的极端强度，只需要大约 100 千瓦的热功率就可以驱动我们在地球核心中期望的那种湍流。
“假设我们限制旋转速度，使球体不会突破音障——在一个 100 米直径的球体中，这会将旋转速率限制在每秒小于约 1 赫兹，或每分钟约 10 转，”他说。“然而，旋转速度较慢意味着我们需要更多的热量来驱动必要的对流……在这种情况下，我们将需要大约 1 吉瓦的热功率，大约相当于核反应堆的输出。”
“如果我们试图缩小容器的尺寸，情况会更糟，”金补充道。
解决方案？尽管如此，全球仍有少数团队试图使用液态金属模拟地球发电机的至少某些方面。
“值得注意的是，法国 Cadarache 的一个团队成功地在一个大约 1 米直径的圆柱形容器中，使用铁制螺旋桨驱动液态钠产生了发电机。这是一个重要的步骤，但在许多方面仍然与地球的发电机相去甚远，”金说。“未来的计划包括在Dan Lathrop 在马里兰州的实验室中使用 3 米直径的旋转球形钠壳。液态金属将通过以不同的速率旋转内外球形表面来驱动湍流。这与核心中流动的驱动方式不完全相同，但该实验应该会产生自己的磁场，这在实验流体动力学中是出了名的困难。”
除了液态金属，“威斯康星州 Cary Forest 的研究小组正在开发一项 3 米直径的等离子体发电机实验，该实验应该可以相当容易地产生磁场，并将使他们能够检查各种流体特性和流场的发电机，”他指出。“或者，球壳中旋转对流的计算机模拟可以成功地产生类似地球的磁场。他们通过降低湍流的严重程度以实现计算上的易处理性，并提高流体的导电性来实现这一点——本质上，这些模拟就像在超导蜂蜜中旋转对流。尽管如此，从这个方向解决问题仍然可以阐明行星磁场产生的物理原理。”
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