科学大讲堂
5月15日，瑞士苏黎世联邦理工学院教授Andrew Jackson应邀做客理学院第193期科学大讲堂，为我校师生带来题为“地球发电机理论：百年难题与新的机遇”的讲座。此次讲座聚焦地球与行星磁场的起源和演化，系统地介绍了磁流体发电机的理论基础和地球发电机数值模拟的前沿进展。讲座由地球与空间科学系副教授林玉峰主持。
讲座伊始，Andrew Jackson教授介绍了发电机的基本概念和原理，即天体内部的导电流体通过对流运动生成并维持自身磁场的过程。他强调了类地行星与气态巨行星在发电机制上的共性以及在能量来源、导电层性质和对流模式等方面的差异。此外，他还回顾了地磁发电机理论的发展历程，包括经典的磁流体力学模型、近年来广泛使用的简化模型。
随后，Andrew Jackson教授通过模型详细解释了发电机中主要力的平衡关系，包括科氏力、浮力、洛伦兹力与粘性力等之间的相互作用。他进一步介绍了在模型中使用的关键无量纲参数，如埃克曼数、瑞利数和磁雷诺数等，并指出目前的数值模拟受限于计算资源，往往只能在远离真实行星参数的理想化条件下运行。他强调，这种参数偏差可能影响对行星内部动力学的准确理解。
Andrew Jackson 教授介绍了其课题组近年来开展的新型无粘发电机模型，该模型在构建过程中忽略了粘性项和惯性项，以简化方程系统，从而在保证核心物理过程的基础上显著降低了计算复杂度，使得在当前计算资源有限的情况下，能使用更接近行星实际值的参数进行数值模拟。该模型为未来在更真实参数空间内研究行星磁场生成提供了新途径，也为地磁反转、磁场维持机制等关键科学问题的深入探讨奠定了基础。
在问答互动环节中，现场师生就发电机的驱动机制，磁极倒转等方面踊跃提问，Andrew Jackson 教授一一进行了详细解答。
问
您认为目前的数值模拟是否足以揭示地球发电机的本质机制？
答
目前的数值模拟在很多方面已经非常先进，能够再现一些关键现象。但由于受限于计算能力，我们仍然无法在真实参数范围内完全模拟地球内部的所有动力过程。因此，尽管模拟结果提供了大量有价值的信息，但仍需要实验、理论与观测共同验证。
问
未来是否可能通过人工模拟地球发电机机制？
答
这正是目前实验室地球动力学和等离子体物理学的重要研究方向，已经有一些大型实验尝试通过液态钠或其他导电流体在旋转球壳中模拟地球的发电机行为。但这些实验面临挑战，包括安全性、实验尺度限制以及维持稳定对流模式等。因此，尽管仍存在技术障碍，但这是一个非常有前景的研究领域。
讲座最后，中国科学院院士、复杂流动及软物质研究中心主任夏克青教授为Andrew Jackson教授颁发理学院科学大讲堂荣誉证书和奖杯。
来源：南方科技大学理学院