本文节选自美国研究理事会发布的《时域地球——美国科学基金会地球科学十年愿景（2020-2030）》第1个科学优先问题。

地磁场是我们地球所具有的古老的特征之一。古地磁研究表明，地磁场至少已有34亿年历史。地磁场是地球上生物宜居环境的重要保障，它保护着地球大气层，使其免遭太阳风、宇宙射线等的冲蚀而不至于消失殆尽。具有漫长历史的地磁场并不是一成不变的。它的极性平均每百万年就要倒转好几次，即使在人类时间尺度上它的其强度和形态也在发生着变化。因此，磁极变化也会对全球导航和卫星通讯等产生重大影响。地磁场是由含金属离子的液态外核流体的运动而产生的，维持地磁发电机运转需要巨大能量。在其演化的晚期阶段，内核结晶过程中释放的潜热为地磁发电机提供了重要的能量来源。实际上，巨大旋转导电流体有序、强劲的运动是所有行星产生磁场必不可少的条件，太阳系中就有多个这样的例子。

科学界对于不太久远的地史时期地磁场的产生已有共识。那就是，随着地核冷却，固态内核逐渐形成，内核形成过程中所释放的潜热和重力势能维持了地磁发电机运转，产生现有的地磁场。但是，如果用这样的思路去理解地球更早期磁场形成时会会面临巨大挑战：如果在地核释放的热能足以维持地磁发电机产生磁场的前提下，按照同样的热能释放速率反推，那么地核温度很快就会变得太高而不可能形成固态内核，据此推算，地球内核应该形成于大约10亿年前。然而，古地磁结果显示，地磁场在早于10亿年前的地史时期就已经存在。矿物物理研究发现，地核的热导率比以往认为的要高，这意味着地球内核形成的时间还要晚于10亿年前。

那么，在地球内核形成之前的大部分地史时期的地球磁场究竟是如何产生的？一种可能是在地球聚合不久，由于地核太热熔融了大量地幔物质，随着地核冷却，这些物质析出并赋存于地幔底部，期间释放的大量重力势能维持地磁发电机运转。赋存于地幔底部的这层物质应该会表现出独特的地震学特性，也许是因为这一层太薄，地震学方法目前无法检测到。另一种可能是，古地磁场不是由地核产生的，而是由地球内部其它区域产生的，例如，有假说认为太古宙的地磁场源于地核之上的岩浆洋。还有一种可能是，完全熔融的地核在冷却过程中所释放的能量就足以产生地磁场，但是大部分模拟计算结果显示，这样的机制仅可解释在内核形成之前很短时间段内存在古地磁场。

理解地磁发电机的一个挑战是如何解释地球内核、外核地震结构上存在巨大差异。地球外核总体表现为均匀的，对称的球体，而地球内核是非均质，且表现出各向异性的。地球内、外核的地震学结构差异可能蕴含着地球早期几十亿年间地磁场如何形成的重要线索。地球内核的各向异性说明其经历了变形与流动，而且这样的不均一性在空间上可达半个球的尺度规模。如此巨型的构造是如何产生的？它与地磁发电机之间存在怎样的相互作用？对这些问题我们目前尚不清楚。

地核冷却的速率取决于地幔能否很快将地核所释放的能量很快带走。因此，地幔对流很可能也对地磁发电机有着重要影响。譬如，地磁场倒转的频率可能受到地幔对流的影响 。在地幔结构方面的新发现为我们认识地核动力学提供了新视角。研究发现地幔底部存在 “大型低速切变区”。虽然对这些区域的热学和化学性质仍存在很大争议，但是这些区域温度和浮力的变化肯定会影响到地核释放热量的过程。这样稳定的边界条件对地磁发电机以及对地球整体动力学究竟会产生怎样的影响？对这些问题的探索才刚刚开始。

多个领域的进展使我们有望在未来10年里在解决上述问题方面取得突破。计算和分析方面的新技术使得通过第1原理来确定地核物质的热动力学属性成为可能。新涌现的微米、纳米级光束仪器制造和分析方法为直接测定地核温压条件下材料的稳定性、组成及其它属性提供了新途径。同步辐射装置方面的新进展将促进地核相关物质测试新技术的诞生。激光驱动和脉冲功率源斜坡压缩实验方面的新进展为开展全新的温度-压力区间的高温高压实验开辟了道路。另外，在检测深时地磁场信息方面，测量单矿物颗粒古地磁记录的的技术在不断提高，对古地磁场记录可靠性的认识也在不断深入。通过卫星观测，我们正在获取比以往有更高时间和空间分辨率的地磁场数据。同时，我们也看到旋转磁对流中的流体动力学以及超级计算和数据融合 技术方面的突飞猛进。地震成像技术的发展将助力阐明地核与深部地幔的结构。

总之，这些领域的新进展将使我们能够深入、全面地理解地磁场的起源及演化。此外，深空探测计划将进一步提升我们对地磁场的认识水平。例如，Juno1探测结果揭示了太阳系现存或曾经存在过的星体磁场在几何形态和强度方面更多的细节。认识行星的形成，结构以及演化等各种成因机制是理解其磁场制约幅度和结构的关键，也将有助于我们理解地球磁场的起源和演化。

图2-2地磁发电机数值模拟结果展示的地核剖面（内核为固态，以白色表示）地核湍流导致磁力线（橘黄色）拉长或缠绕（红色指示向上，蓝色指示向下）。图中显示缓慢的地核对流与快速流体动力波之间的相互作用导致地磁场变化突然加速（即磁场猝变），反映源自地核内部浮力的突然增大对地磁场的扰动。图片来源：巴黎地球物理学院Julien Aubert提供

成功解决上述地磁场形成的有关问题将有赖于相关仪器、设备的改进与革新以及各部门内和部门间的通力协作。岩石与材料在极端条件下各种特性的测量设备（如：同步辐射装置或线站，动态压缩设备，大腔体多面砧压机）以及用于测量磁场强度的原子力显微镜等将是确定地球内核年龄必不可少的。重建深时地球磁场极性和强度的变化需要我们通过系统的野外和大陆科学钻探采样，更先进的矿物磁性测量技术以及以统一格式存储、可再解释的古地磁数据库。潜在加强合作的领域可包括材料科学和计算科学。例如，认识地球内部、外部磁场之间的相互作用，高空天气、以及刻画宇宙核素同位素（铍，碳）变化等都要求美国基金委地球科学部，大气与地空科学部以及美国地质调查局地磁研究项目等部门之间需要更加紧密地团结协作。