夏克青 揭磁場南北逆轉之謎

http://paper.wenweipo.com/2010/09/30/ED1009300009.htm

　長久以來，人類一直靠指南針辨別方向，但科學家從古岩石的紀錄上發現，在過去億萬年間，地球磁場原來曾出現多次對調，每隔數十萬至數百萬年即出現「南北逆轉」，情況威脅到地球上不同物種的安全，不過箇中原因卻成謎。中文大學物理系教授夏克青，成功利用湍流熱對流(Turbulent Thermal Convection)的實驗研究，對應地球內部外地核(Outer Core)液態鐵的流動方向亦擁有相同的「逆轉」特性，成為揭開磁場對調謎團的第一人。他亦憑有關研究獲得上年度的「國家自然科學獎二等獎」，科研成就備受肯定。　

　湍流是流體力學(Fluid Dynamics)中的經典課題，在自然界中無處不在。例如人們平日看到的香煙，一開始呈線形向上升，當其開始與周邊空氣混合，會出現不規則的紊亂小漩渦形態，就是湍流狀態。

沖咖啡為喻 攪拌成湍流

　夏克青解釋指，在物理學中，湍流是流體的能量交換及物質混合作用過程，「以沖咖啡作比喻，沖的時候，通常會放奶進咖啡，如果我們甚麼都不做，奶和咖啡仍是分開的兩種物質；若用小棒攪拌產生能量，奶和咖啡會混合起來。這過程就是湍流。」

觀察粒子移動 記錄變化詳情

　他及其團隊的主要工作，是透過實驗模型觀察及測量流體中湍流的運動模式，將所得資料用以驗證現有的假設及演化新理論。在實驗中，裝滿透明液體的玻璃圓柱實驗模型內會放入小膠粒，以激光經鏡子反射到玻璃圓柱模型內以作觀測。若將模型內的液體從底部加熱，令下層液體與上層出現較大溫差，就可以透過激光觀察到粒子不斷向上升、向下降，作垂直性環流移動，亦即「大尺度環流」(Large-scale Circulation)，精密的儀器會接駁鏡頭與電腦，就移動的時間、速度、變化模式等作測量及記錄。

研究證環流逆轉 符磁場對調特性

　湍流研究看似抽象，但與大自然中的氣象學、海洋研究等複雜現象都息息相關，甚至能有效解釋地底中較熔岩更深層的液態鐵的流動，以及地球磁場的變化現象。透過上述實驗模型，研究團隊首次發現，大尺度環流不單能有效描述「熱空氣上升，冷空氣下降」的熱對流運動機制及規律，而在立體空間中，一直只作單向流動(如順時針「左上右落」)的大尺度環流，到達臨界點前，其流動速度開始減慢，流動方向漸變紊亂，直至環流完全停止，隨即開始以相反方向(即逆時針「右上左落」)形成新的大尺度環流，並漸加快至原有流動速度。

　夏克青表示，有關大尺度環流的流動機制，與科學家對地球磁場「南北對調」的觀察不謀而合。經電腦模擬作數據比較，兩者均擁有「正常－>減弱及紊亂－>停止－>(相反方向)紊亂及加強－>(相反方向)正常」的統計規律，特性極為類似，「模型的環流方向可以一天對調幾次，也可以幾天才對調一次，與地球磁場對調的不定期性吻合。」

　事實上，地質學家早已探測到地球內部約3,000至5,000公里深的外地核，是由帶有磁性的液態鐵組成，當中亦應存在湍流熱對流現象。不過，以現有的科學水平，人類不可能進入地球核心實地觀測湍流。夏克青首次成功以實驗證據，模擬地核湍流的力學機制，破解地球磁場重重謎團，為人類了解自然提供了開創性的新知識。