地球磁場為何經(jīng)常變化？

　　地球的磁場并非亙古不變，它的南北磁極曾經(jīng)對(duì)換過位置，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)”。

　　人們在世界各地記錄當(dāng)?shù)氐牡卮艌龇较蚝蛷?qiáng)度；后來科學(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，決不是可以簡單地想象為由一根南北向的磁鐵棒所發(fā)出的；而地磁場的方向與強(qiáng)度在漫長的歷史當(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450萬年里，就可以分出四個(gè)磁場極性不同的時(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。

　　地球磁場變化威脅人類

　　在電影《后天》中我們曾看到這樣的鏡頭，群鳥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)地展示了地球磁場易位對(duì)人類的危害。

　　地球?yàn)槭裁从写艌觯看艌鲇譃槭裁磿?huì)反轉(zhuǎn)？

　　第一種解釋：地球磁場變化可能與來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)來自地下的低頻輻射與一些神秘的事故存在密切關(guān)系。現(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。檢測顯示，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出現(xiàn)了空洞，由此推斷地球磁極可能在不久的將來改變方位。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。科學(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，水手依靠地球磁場來導(dǎo)航；而鳥類和其他對(duì)磁場敏感的動(dòng)物已經(jīng)應(yīng)用這個(gè)方法有更長一段時(shí)間了。說來奇怪，地球的磁極并不是一直都指向現(xiàn)在的方向。

　　礦物可以記錄過去地球磁場的方向，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，在最近的78萬年內(nèi)都沒有發(fā)生過反轉(zhuǎn)——這比地磁反轉(zhuǎn)的平均間隔時(shí)間25萬年要長了許多。更有甚者，地球的主要地磁場自從1830年首次測量至今，已經(jīng)減弱了近10％。這比在失去能量來源的情況下磁場自然消退的速度大約快了20倍！下一次地磁反轉(zhuǎn)即將來臨嗎？

　　一些地球物理學(xué)家認(rèn)為，地球磁場變化的原因來源于地球中心的深處。地球像太陽系里的其他某些天體一樣，是通過一個(gè)內(nèi)部的發(fā)電機(jī)來產(chǎn)生自己的磁場。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。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200萬倍。此外，地心的溫度也同樣極端──大約為攝氏5000度，和太陽表面的溫度相近。

　　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)通過流體的上升和下降來自下而上傳遞熱量的過程稱為熱對(duì)流。

　　現(xiàn)任職于美國加州大學(xué)洛杉磯分校的StanislavBraginsky在1960年代指出過，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源來驅(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。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，還需要第三個(gè)條件：旋轉(zhuǎn)。地球的自轉(zhuǎn)通過科里奧效應(yīng)（Corioliseffect）使地心內(nèi)上升的流體偏轉(zhuǎn)，就像我們在氣象衛(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)來回答磁場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題。

　　根據(jù)衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)外推至地心-地幔邊界的地球磁場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。希望在不久的將來，科學(xué)家能夠?yàn)槲覀兘议_謎團(tuán)。

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