本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
地球磁場的微縮版本對於科學家來說是否過於龐大而難以處理？
在“科學難度過高？”系列中，我採訪了科學家們，瞭解他們渴望探索但認為無法研究的想法。例如，這些想法可能涉及超出可能性的機器，例如像星系一樣大的裝置，或者它們可能完全不道德，例如像實驗室老鼠一樣在兒童身上做實驗。此專題旨在探討不可能的夢想，以及科學中看似棘手的問題。然而，“科學難度過高？”結尾的問號表明，沒有什麼是不可能的。
科學家：埃裡克·金，加州大學伯克利分校地球與行星科學米勒研究員。
關於支援科學新聞業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞業 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續講述關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事。
想法：地球磁場可能對生命的進化至關重要，保護我們的星球免受太陽輻射的影響，否則太陽輻射可能會剝離我們的大氣層，並使早期生物容易受到來自太陽的危險輻射的傷害。事實上，火星磁場的消失很可能是其大氣層逐漸消失的原因，顯然使這顆紅色星球變成了一個死寂的世界。但是，地球磁場是如何形成的，以及火星磁場為何消失仍然是一個謎，“因為我們不太確定行星磁場產生的細節，”金說。
地球的全球磁場或磁層來自其發電機——行星液態金屬核心中導電的流體，這些流體由於地球誕生時遺留下來的熱量對流而湍流流動。為了更多地瞭解地球的發電機，科學家們理想情況下希望建立一個模型版本。
問題：開發地球發電機微縮版本的困難主要來自行星核心的巨大尺寸。將其縮小到模型尺寸需要其他因素，例如熱量或其旋轉速度，變得極其極端，以至於不可能實現。
“假設我們有一個裝滿液態金屬的 100 米直徑的球體，”金說。“這已經是 Epcot 中心的球形標誌的兩倍大，這將是一項重大的技術成就。但是，如果有足夠的資金，這並非不可能。”
“此後出現的第一個問題是球體中的重力完全錯誤——地球表面的球體感受到向下的重力，但行星中的重力加速度是徑向向內的，”他繼續說道。“我們可以在一定程度上透過旋轉球體來克服這個問題。旋轉足夠快，離心加速度將克服重力。”
“您可能會指出，離心加速度指向外部，”他說。相比之下，地球的核心具有指向內部的重力，以及向外輻射的熱量。為了補償，“我們的核心模型可以設計為具有向外的重力和向內的熱通量——這在大量熱量的情況下技術上很困難，但在數學上是相同的。”
然而，“這就是它開始變得對科學來說太難的地方，”金解釋說。為了實現與地球核心的真正動態相似性，首先，“我們的球體必須以驚人的速度旋轉才能匹配核心動力學——每分鐘超過 100,000 轉。這意味著我們 100 米直徑的球體在其赤道處的移動速度約為每小時 100,000 英里——那是音速的 3,000 倍。” 儘管如此，如果這成為可能，由於這種人造重力的極端強度，只需要大約 100 千瓦的熱功率就可以驅動我們在地球核心中期望的那種湍流。
“假設我們限制旋轉速度，使球體不會突破音障——在一個 100 米直徑的球體中，這會將旋轉速率限制在每秒小於約 1 赫茲，或每分鐘約 10 轉，”他說。“然而，旋轉速度較慢意味著我們需要更多的熱量來驅動必要的對流……在這種情況下，我們將需要大約 1 吉瓦的熱功率，大約相當於核反應堆的輸出。”
“如果我們試圖縮小容器的尺寸，情況會更糟，”金補充道。
解決方案？儘管如此，全球仍有少數團隊試圖使用液態金屬模擬地球發電機的至少某些方面。
“值得注意的是，法國 Cadarache 的一個團隊成功地在一個大約 1 米直徑的圓柱形容器中，使用鐵製螺旋槳驅動液態鈉產生了發電機。這是一個重要的步驟，但在許多方面仍然與地球的發電機相去甚遠，”金說。“未來的計劃包括在Dan Lathrop 在馬里蘭州的實驗室中使用 3 米直徑的旋轉球形鈉殼。液態金屬將透過以不同的速率旋轉內外球形表面來驅動湍流。這與核心中流動的驅動方式不完全相同，但該實驗應該會產生自己的磁場，這在實驗流體動力學中是出了名的困難。”
除了液態金屬，“威斯康星州 Cary Forest 的研究小組正在開發一項 3 米直徑的等離子體發電機實驗，該實驗應該可以相當容易地產生磁場，並將使他們能夠檢查各種流體特性和流場的發電機，”他指出。“或者，球殼中旋轉對流的計算機模擬可以成功地產生類似地球的磁場。他們透過降低湍流的嚴重程度以實現計算上的易處理性，並提高流體的導電性來實現這一點——本質上，這些模擬就像在超導蜂蜜中旋轉對流。儘管如此，從這個方向解決問題仍然可以闡明行星磁場產生的物理原理。”
*
如果您有想推薦我採訪的科學家，或者您是一位科學家，並且有一個您認為可能對科學來說太難的想法，請透過電子郵件傳送至 toohardforscience@gmail.com。