约45亿年前 ，一颗火星大小的行星撞击地球 。这次撞击重塑了地球 ，创造了月球 ，并使两者变成旋转的熔融岩石球体 。10亿年后 ，地球和月球各自形成了坚实的地壳和磁场 。尽管月球的磁场早已消失 ，但地球的磁场仍保持着原始强度 。几十年前就已认识到地球磁场长久存在的大致原因 。然而 ，由于驱动地球发电机的液态地核搅动过于剧烈 ，其过去 、现在和未来的详细模型仍难以捉摸 。现在 ，中国南方科技大学的林雨峰及其合作者利用2500个CPU年的计算机时间 ，模拟了10 – 15亿年前地球内核开始凝固之前的地球发电机 。模拟产生的磁场结构与从古代岩石推断出的结构一致 ，解开了年轻地球如何维持发电机的谜团 。
要拥有发电机 ，行星必须有导电的液态内核以及搅动它的方式 。对于地球而言 ，搅动由地核的热能和地核中放射性元素的衰变提供动力 。搅动本身可来自两种对流源 。在围绕液态外核的地幔底部 ，岩浆中的氧 、硅和其他轻元素减少 。岩浆从地幔脱离并沉入外核 。在内核上方 ，不断结晶的铁镍混合物排出较轻元素 ，这些元素通过外核向上漂浮 。
地球物理学家通过磁雷诺数（Rm）的值来量化发电机持续或消失的程度 ，磁雷诺数定义为电流消散所需时间与液态地核循环所需时间的比率 。如果Rm超过40 ，发电机就是可持续的 。地球的Rm估计约为1000 ，这与长期存在的发电机预期相符 。另一个关键参数是埃克曼数（Ek） ，即粘性力与科里奥利力的比率 。地球液态地核的Ek估计约为10⁻¹⁵ 。极低的值反映了熔融金属的低粘度 ，这使得流体高度湍流 ，因此建模难度很大 。
对古老岩石的测量和地球热历史模型表明 ，在内核开始凝固之前很久 ，地球就有了发电机 。然而 ，发电机模拟通常假设存在固态内核 ，部分原因是它是对流搅动的来源 。为了重现年轻地球的发电机 ，林雨峰及其合作者将地核建模为包含在旋转球体中的液体 ，这一选择需要解决一些数学奇点（否则在零半径处导数会发散） 。他们模型中所需的搅动源于跨越球体 – 地幔边界施加的温度梯度 。他们使用纳维 – 斯托克斯方程和麦克斯韦方程来描述系统的磁流体动力学 。
模拟的发电机很快建立起来并稳定在磁雷诺数为500的状态 。林雨峰及其合作者在三个不同的埃克曼数（Ek）值下进行模拟 ：10⁻⁶ 、10⁻⁷和10⁻⁸ ，最后一个是任何模拟所达到的最小Ek值 。尽管10⁻⁸比真实值大7个数量级 ，但研究人员发现 ，发电机的磁能 、动能 、磁雷诺数和其他量已经不再依赖于Ek 。这一发现让建模者松了一口气 ，因为这表明无需花费宝贵的计算能力来应对液态地核极低的粘度 。
林雨峰及其合作者利用他们的模型生成了地球表面磁场图 。模拟场的强度和形态变化与从太古代（地球生命最早的时代）岩石测量推断出的变化相似 。令人惊讶的是 ，模拟图也与CHAOS – 7生成的图相似 ，CHAOS – 7是一个结合了天基和地基测量的地球当前磁场的地磁场模型 。
模拟的过去与测量的现在之间的相似性是否意味着维持地球发电机不需要内核呢 ？林雨峰说 ，不一定 。有充分证据表明 ，内核凝固产生的浮力有助于驱动现今的磁场 。但是 ，内核的加入将容纳熔融金属的容器从球体变成了壳 。他说 ：“我们所展示的是 ，只要有足够的能量来源驱动地核中的对流 ，几何形状可能不像以前认为的那么重要 。”
哈佛大学地球物理学家杰里米·布洛克斯汉姆说 ：“我觉得这篇论文在两个方面都极其重要 。”他指出 ，这项工作提供了数值证据 ，支持了从古地磁数据得出的观点 ，即在内核出现之前很久 ，地球的磁场就与今天的磁场非常相似 。他还说 ：“此外 ，数值计算——实现小粘度的渐近状态——是向前迈出的一大步 。”
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