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地磁場為何會倒轉?下一次倒轉何時來?看分析
2018-09-12 08:26:53 來源:北京日報  作者:賈斌
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  下一次地磁倒轉什麼時候來

  新聞背景

  近日,海峽兩岸科學家聯手在著名學術期刊《美國科學院院刊》上發表了一篇論文,通過研究貴州三星洞內的石筍,他們發現地磁的南、北極可快速倒轉,可能只需要一百多年。這可能會對地球生物圈、衛星通訊設備等造成影響。

  地磁倒轉的發現

  在太陽系中,地球是一個非常特別的星球,她表面有大量的液態水,有獨特板塊構造,有地震、火山,更是有一個全球性的磁場。所謂全球性的磁場,就是說整個地球的地磁場是一致的,所有地方磁極的指向都是相同的,有著共同的地磁南極和北極。不像火星,磁場是局部的,不同的地方磁極的指向不同。

  由於地磁場的存在,從太陽吹向地球的大量高能射線(太陽風)在靠近地球的時候被扭曲轉向,阻止太陽風直接接觸電離層,使電離層不至於逸散。另一方面,在大氣層的頂部,有一些氣體分子會發生電離逃逸,比如氧離子和氫離子。而地磁場能夠把將要逃逸的離子重新送回電離層,維持大氣的穩定。

  雖然地磁場摸不著看不見,但是人類利用磁場的時間很早。在古代中國,就有利用司南和指南魚指示方向的記錄。但是,直到1600年,纔由英國著名的物理學家吉爾伯特首次提出,地球本身就是一個巨大的磁鐵,有兩個磁極,指南針的工作原理就是磁鐵之間的吸引,並且正確指出地球內部有一個鐵的內核。不過,在隨後的數百年裡,人們一直認為,地磁場,至少地磁的方向,是不變的,指南針指示的南北方向是恆定的。但後來發現,地磁場是非常不穩定的,不管是方向還是強度。

  和其他重大的地質學發現一樣,人類對地磁倒轉最初的認識來源於對岩石的研究。在地球的岩石中,或多或少都會含有一部分的鐵。在岩漿岩中,當高於某一特定溫度時,裡面磁性元素鐵的磁場會在地磁的作用下定向排列;當冷卻低於這一溫度時,岩石就不再受地磁的影響,從而記錄下當時地磁場的方向。物質的這一特性是著名的物理學家居裡夫人最先發現的,後來人們就把這一特定的溫度稱為居裡點,不同物質的居裡點並不相同。在沈積岩中,其中的鐵在沈積的過程中,受地磁場作用也會發生重排,從而記錄下當時的地磁場方向。

  在1906年,法國地球物理學家布容在研究法國中南部火山區熔岩及其下面的黏土沈積物的時候,發現岩石記錄的磁極和現在的地磁極是相反的,從而推測地球的磁場可能發生過倒轉。在上世紀20年代,日本地質學家松山對日本、朝鮮和中國東北的玄武岩進行了大規模的磁性調查,系統地研究了地磁倒轉的問題。但這些研究在當時並未引起足夠的重視。

  直到上世紀50年代,隨著地質年代學的發展,科學家纔逐漸意識到地磁倒轉是一個全球性的問題,並開始著手運用地磁學解決諸多地質學的問題。比如,在大洋底的玄武岩中發現了對稱的磁異常條帶,這是因為從地球深處不斷上湧的岩漿向兩側擴展,記錄下了當時的古地磁方向,這種條帶成為海底擴張的直接證據。時至今日,地層記錄的古地磁方向,仍舊是地質學家恢復板塊在歷史時期的位置以及漂移軌跡的最有力證據。

  未解之謎——地磁場倒轉

  地磁學的研究在解釋地球構造方面取得了巨大的成功,但是地磁場為什麼會倒轉?到目前為止,這個問題並沒有一個讓人滿意的答案。在2005年,美國著名雜志《科學》在創刊125年之際,向全世界各領域的頂尖科學家征詢意見,提出來125個重要科學問題,地磁倒轉之謎即為其中之一。

  在過去的8300萬年中,地磁場共倒轉了183次,而且沒有明顯的規律,有時候100萬年可以倒轉五六次,有時候可能只有一次。在恐龍繁盛的白堊紀(侏羅紀後),地磁場穩定了4000萬年沒有發生倒轉,這段時間地磁場的方向和今天是一樣的,是迄今為止地層記錄中持續最長的地磁穩定期。最近的一次倒轉發生在78萬年以前,並保持至今。

  地磁場的產生以及倒轉可能和地核的狀態以及運動有關。地核的深度為2900公裡,又可以分為外殼和內核,其中外核為液體,內核為固態。地核的主要組成為鐵和鎳,另外還有硅、硫等元素,溫度在5000攝氏度以上。現在一種比較流行的觀點認為,地磁場起源於地核的運動。由於地核極度的高溫和液態的存在形式,外核物質與熱量的對流十分普遍。我們知道,鐵是一種磁性金屬,其對流可以造成磁場與電流的相互激發,形成穩定的全球性磁場。這被稱為地球發電機模型。

  雖然地磁場產生的具體原因尚有待進一步研究,但比較確定的是肯定和液態的地核有關。和地球十分類似的月球和火星,由於體積較小、冷卻快,地核已完全固化,因而沒有全球性的磁場存在。

  實驗室理論模擬結果表明,地核的運動是不規律的,產生的磁場會隨機轉向。但是,這種實驗室的模擬結果,是否適用於自然狀態,仍有待驗證。

  我們現在處於下一次地磁倒轉的關口嗎?

  很久之前就有人預言,現在地磁場正在減弱,我們也許處在地磁倒轉的關口。

  地球磁極的變動,並不是一瞬間的事情,一般會持續數千年或數百年的時間。本次海峽兩岸科學家的研究結果甚至說明,地磁場可以在一百多年的時間內完全轉向。根據對地球上歷次古地磁倒轉的研究結果,在地磁場倒轉期間,會有兩種現象,一個是地磁極的快速移動,另一個是地磁場強度的減弱。

  前面我們提到,在古代,地磁場就已經被用來指示方向,但是地理的北方和指南針指示的北方並不是重合的,二者有一個夾角,稱為磁偏角,地球上不同位置的磁偏角並不相同。早在宋代,沈括在《夢溪筆談》中就記載了磁偏角的存在。而且,地磁的北極在也在不斷的變化,在20世紀伊始,地磁的北極點位於加拿大北部列島,現在已經移動到了地理北極點附近,正朝著俄羅斯西伯利亞方向運動,100餘年間向北移動了15°(緯度)還要多。不僅如此,移動的速度還不一樣,近30年來有加速的趨勢。但相對應的地磁南極變化就比較小,雖然也在靠近地理的南極,但移動了不足5°。在地磁倒轉期間,磁極可能會移動到中低緯度地區,比如處於中國境內,甚至赤道附近。地磁極不斷移動的結果,可能就是地磁極的倒轉。

  不僅如此,現今地磁場的強度也在不斷減弱。自1932年德國著名數學家高斯第一次記錄地磁場強度以來,到目前磁場強度已經下降了大約10%。歷史上在地磁倒轉期間,地磁場的強度最大可能會下降到現在的5%左右。

  歷史上各次地磁倒轉大都會伴隨地磁場強度下降,以及磁極的漂移,但這並不一定都會最終導致地磁倒轉,也可能只是地磁場正常的波動。也許我們現在正處於新一次地磁倒轉的關口,也許不是。由於地磁場變化的極度不規律性,科學家並不能給出准確的預言,目前只是有這種可能性,但要多久纔能完全倒轉,並不確定。畢竟,這是至少幾十萬年纔會發生一次的事,並沒有規律可循。

  延伸閱讀

  地磁減弱或倒轉對生物圈影響大嗎?

  可能有人還記得,在2009年有一部熱映的電影《2012》。在這部影片中,2012年地球的地磁場突然發生倒轉,由磁北極突然變為磁南極,並由此引發一系列災難,比如輻射增強、通訊中斷等,社會陷入一片混亂。

  雖然電影中地磁倒轉的後果很恐怖,但實際上影響並沒有那麼大。地磁場可以屏蔽外太空射線,可以維持大氣穩定,為遷徙動物導航。但是目前並沒有發現生物大滅絕與地磁倒轉有明顯的對應關系,地磁倒轉的次數遠大於生物大滅絕的次數。這說明,地磁倒轉對生物影響並沒有那麼大。

  在地磁極倒轉期間地磁場會減弱,但不會消失,這並不意味著對生物造成毀滅性的打擊。我們濃厚的大氣同樣可以屏蔽大部分的宇宙射線,而且地磁倒轉的時間也是比較短的,對大氣的影響也很小。但是對依靠地磁場來導航的生物的影響並不是十分清楚,也許它們會很快適應新的磁場。磁場雖然會減弱,但不會消失,而且也會有好處,比如低緯度地區也可以看到漂亮的極光。總體而言,地磁倒轉對生物系統的影響是很有限的,不需要過分擔心。

  不過,地磁場的減弱或許對人類的電力設備有較大的影響。失去地磁場的保護,來自外太空的高能射線可以直接影響衛星,造成通訊中斷,或者造成電力設備損壞或停電,就像太陽黑子爆發的磁暴。

責任編輯:楊金光
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