地球磁場(chǎng)為何經(jīng)常變化？

　　地球的磁場(chǎng)并非亙古不變，它的南北磁極曾經(jīng)對(duì)換過(guò)位置，即地磁的北極變化成地磁的南極，而地磁的南極變成了地磁的北極，這就是所謂的“磁極倒轉(zhuǎn)”。

　　人們?cè)谑澜绺鞯赜涗洰?dāng)?shù)氐牡卮艌?chǎng)方向和強(qiáng)度；后來(lái)科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)在火山熔巖和大陸與海底的地質(zhì)沉積物當(dāng)中，能夠找到更加久遠(yuǎn)的歷史上的地磁記錄。所有這些數(shù)據(jù)都告訴我們，地球磁場(chǎng)的空間分布非常復(fù)雜，反映了它的產(chǎn)生機(jī)制也非常復(fù)雜，決不是可以簡(jiǎn)單地想象為由一根南北向的磁鐵棒所發(fā)出的；而地磁場(chǎng)的方向與強(qiáng)度在漫長(zhǎng)的歷史當(dāng)中隨著時(shí)間而發(fā)生的變遷，也是充滿了未解之謎。

　　地球磁極變化的最激動(dòng)人心一幕是“磁極倒轉(zhuǎn)”事件。在地球演化史中，“磁極倒轉(zhuǎn)”事件經(jīng)常發(fā)生。僅在近450萬(wàn)年里，就可以分出四個(gè)磁場(chǎng)極性不同的時(shí)期。有兩次和現(xiàn)在基本一樣的“正向期”，有兩次和現(xiàn)在正好相反的“反向期”。而且，在每一個(gè)磁性時(shí)期里，有時(shí)還會(huì)發(fā)生短暫的磁極倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

　　地球磁場(chǎng)的這種磁極變化，同樣存在于更古老的年代里。從大約6億年前的前寒武紀(jì)末期，到約5.4億年前的中寒武世，是反向磁性為主的時(shí)期；從中寒武世到約3.8億年前的中泥盆世，是正向磁性為主的時(shí)期；中泥盆世到約0.7億年前的白堊紀(jì)末，還是以正向極性為主；白堊紀(jì)末至今，則是以反向極性為主。如果把地球的歷史縮短成一天，在這期間你會(huì)發(fā)現(xiàn)手上的指南針像瘋了似的亂轉(zhuǎn)，一會(huì)兒指南一會(huì)兒指北。

　　地球磁場(chǎng)變化威脅人類

　　在電影《后天》中我們?cè)�看到這樣的鏡頭，群鳥(niǎo)迅速遷徙甚至一頭撞向墻壁，大如拳頭的冰雹砸向四處躲避的人群。電影為我們真實(shí)地展示了地球磁場(chǎng)易位對(duì)人類的危害。

　　地球?yàn)槭裁从写艌?chǎng)？磁場(chǎng)又為什么會(huì)反轉(zhuǎn)？

　　第一種解釋：地球磁場(chǎng)變化可能與來(lái)自地下的低頻輻射有關(guān)

　　雖然人類已經(jīng)進(jìn)入21世紀(jì)，科學(xué)改變了我們的生活，但科學(xué)卻還沒(méi)有征服自然，更多的時(shí)候它只是在記錄那些不可思議的事情是如何發(fā)生的。例如，未知的地下低頻輻射。

　　科學(xué)家發(fā)現(xiàn)來(lái)自地下的低頻輻射與一些神秘的事故存在密切關(guān)系�，F(xiàn)在尚不清楚產(chǎn)生這種輻射的確切原因，但科學(xué)家估計(jì)可能是地殼運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。當(dāng)?shù)貧�劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，電磁粒子就會(huì)從地下逃逸出來(lái)。檢測(cè)顯示，當(dāng)這種輻射爆發(fā)時(shí)，交通事故和求醫(yī)看病的人會(huì)明顯增多。

　　科學(xué)家還觀察到地球磁場(chǎng)出現(xiàn)了空洞，由此推斷地球磁極可能在不久的將來(lái)改變方位。事實(shí)上，現(xiàn)在北磁極就在向西伯利亞方向移動(dòng)，南磁極則移向澳大利亞海岸�？茖W(xué)家推斷磁極1.5萬(wàn)年才會(huì)易位一次，每次都造成大批動(dòng)物死亡，恐龍、猛犸象很可能就因此滅亡，大西洋一些神秘沉沒(méi)的海島也可能與磁極易位有關(guān)。

　　地球上還有不少黑暗地帶，在這些區(qū)域里事故頻發(fā)，人體器官也會(huì)嚴(yán)重受損�？茖W(xué)家認(rèn)為這也是輻射在“搞鬼”。在地質(zhì)斷裂帶及不同層面的地下水流交匯地區(qū)，磁場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)異常變化，這種變化甚至對(duì)大氣電流都有影響。研究顯示，只有5%的人對(duì)地下輻射具有抗干擾能力。

　　第二種解釋：地球是一個(gè)巨大的“發(fā)電機(jī)”

　　大多數(shù)人認(rèn)為，指北針當(dāng)然指向北方。數(shù)千年以來(lái)，水手依靠地球磁場(chǎng)來(lái)導(dǎo)航；而鳥(niǎo)類和其他對(duì)磁場(chǎng)敏感的動(dòng)物已經(jīng)應(yīng)用這個(gè)方法有更長(zhǎng)一段時(shí)間了。說(shuō)來(lái)奇怪，地球的磁極并不是一直都指向現(xiàn)在的方向。

　　礦物可以記錄過(guò)去地球磁場(chǎng)的方向，人們利用這一點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)在地球45億年的生命史中，地磁的方向已經(jīng)在南北方向上反復(fù)反轉(zhuǎn)了好幾百次。不過(guò)，在最近的78萬(wàn)年內(nèi)都沒(méi)有發(fā)生過(guò)反轉(zhuǎn)——這比地磁反轉(zhuǎn)的平均間隔時(shí)間25萬(wàn)年要長(zhǎng)了許多。更有甚者，地球的主要地磁場(chǎng)自從1830年首次測(cè)量至今，已經(jīng)減弱了近10％。這比在失去能量來(lái)源的情況下磁場(chǎng)自然消退的速度大約快了20倍！下一次地磁反轉(zhuǎn)即將來(lái)臨嗎？

　　一些地球物理學(xué)家認(rèn)為，地球磁場(chǎng)變化的原因來(lái)源于地球中心的深處。地球像太陽(yáng)系里的其他某些天體一樣，是通過(guò)一個(gè)內(nèi)部的發(fā)電機(jī)來(lái)產(chǎn)生自己的磁場(chǎng)。從原理上，地球“發(fā)電機(jī)”和普通發(fā)電機(jī)一樣工作，即由其運(yùn)動(dòng)部份的動(dòng)能產(chǎn)生電流和磁場(chǎng)。發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)部份是旋轉(zhuǎn)的線圈；行星或恒星內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部分則發(fā)生在可導(dǎo)電的流體部分。在地心，有著6倍于月球體積的巨大鋼鐵融流海洋，構(gòu)成了所謂的地球發(fā)電機(jī)（geodynamo）。

　　我們探究磁場(chǎng)如何反轉(zhuǎn)之前，需要了解是什么驅(qū)動(dòng)著地球發(fā)電機(jī)。在1940年代，物理學(xué)家就公認(rèn)：三個(gè)基本條件對(duì)產(chǎn)生任何的行星磁場(chǎng)是必需的，并且自那以后的其他發(fā)現(xiàn)都是建立在這一共識(shí)之上。第一個(gè)條件是：要有大量的導(dǎo)電流體──地球地心的外核是富含鐵的流體。這個(gè)臨界層包裹著一個(gè)幾乎純鐵的固態(tài)地心內(nèi)核，深埋在厚重的地幔和極薄地大陸、海洋地殼之下。距離地表的深度約2900千米。地殼和地幔重量帶來(lái)的極大負(fù)荷，造成了地核內(nèi)的平均壓力是地表壓力的200萬(wàn)倍。此外，地心的溫度也同樣極端──大約為攝氏5000度，和太陽(yáng)表面的溫度相近。

　　這些極端的環(huán)境條件，構(gòu)成了行星發(fā)電機(jī)的第二要件：驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)的能量來(lái)源。驅(qū)動(dòng)地球發(fā)電機(jī)的能量，部份是熱能，部份是化學(xué)能——兩者都在地心深處造成浮力。就像一鍋在火爐上熬著的湯一樣，地心的底部比頂部熱（地心的高溫是地球形成時(shí)截留在地球中心的熱能）。這意味著地心底部較熱的、密度較低的鐵趨向于上升，就像熱湯里的水滴。當(dāng)這些流體到達(dá)地心頂部時(shí)，會(huì)由于碰到上覆的地幔而喪失部份熱量。于是液態(tài)鐵會(huì)冷卻、密度變得比周圍的介質(zhì)高，從而下沉。這個(gè)通過(guò)流體的上升和下降來(lái)自下而上傳遞熱量的過(guò)程稱為熱對(duì)流。

　　現(xiàn)任職于美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的StanislavBraginsky在1960年代指出過(guò)，熱量從地心上部的外核逸出也會(huì)導(dǎo)致地心固態(tài)內(nèi)核體積的膨脹，產(chǎn)生兩種另外的浮力來(lái)源來(lái)驅(qū)動(dòng)對(duì)流。當(dāng)液體的鐵在固態(tài)內(nèi)核的外部凝固成晶體時(shí)，潛在的熱量——結(jié)晶熱會(huì)作為副產(chǎn)品被釋放出來(lái)。這些熱量有助于增強(qiáng)熱浮力。此外，密度較低的化合物（如硫化鐵和氧化鐵）被內(nèi)核的結(jié)晶體排出并穿過(guò)外核上升，也會(huì)加強(qiáng)對(duì)流。

　　行星要產(chǎn)生自維持的磁場(chǎng)，還需要第三個(gè)條件：旋轉(zhuǎn)。地球的自轉(zhuǎn)通過(guò)科里奧效應(yīng)（Corioliseffect）使地心內(nèi)上升的流體偏轉(zhuǎn)，就像我們?cè)跉庀笮l(wèi)星影像上看到的洋流和熱帶風(fēng)暴被科里奧效應(yīng)扭曲成熟悉的漩渦狀一樣。在地心中，科里奧力（Coriolisforces）使上涌的流體偏轉(zhuǎn)，沿著螺旋形的軌跡上升，仿佛沿著松弛彈簧的螺旋狀金屬線運(yùn)動(dòng)。

　　地球有著一個(gè)富含鐵的液態(tài)地心能夠?qū)щ�、有足夠的能量�?qū)動(dòng)對(duì)流、有科里奧力使對(duì)流的流體偏轉(zhuǎn)，這些是地球發(fā)電機(jī)能夠維持它本身數(shù)十億年的主要原因。但科學(xué)家需要更多證據(jù)來(lái)回答磁場(chǎng)的形成和為什么隨著時(shí)間的推移會(huì)改變極性等令人迷惑的問(wèn)題。

　　根據(jù)衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)外推至地心-地幔邊界的地球磁場(chǎng)的等高線圖顯示大部分磁通量是在南半球穿出地心，在北半球進(jìn)入地心。但是在少數(shù)特殊區(qū)域，確實(shí)出現(xiàn)了相反的情況。這些反向通量帶在1980年和2000年之間增長(zhǎng)和擴(kuò)張；如果它們覆蓋了兩極，接著就會(huì)發(fā)生極性反轉(zhuǎn)。

　　雖然上述兩種解釋都有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的科學(xué)理論作為依據(jù)，但也有一些科學(xué)家對(duì)此提出了他們的疑問(wèn)。希望在不久的將來(lái)，科學(xué)家能夠?yàn)槲覀兘议_(kāi)謎團(tuán)。

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