撥開地球磁極倒轉迷霧

撥開地球磁極倒轉迷霧

來源：中國礦業網

關於地球磁極要倒轉的言論近來流行於網路和民間，引起了許多猜測甚至末日的流言。究其原因，正是公眾對地球磁場基本常識的缺乏所致，那麼，地球磁場磁極為何倒轉？倒轉將有著怎樣的影響，請跟隨我國古地磁學家潘永信教授的解讀，一起來了解地球磁極倒轉的奧妙。

遠古時磁極常倒轉

地球的年齡大約46億年，在如此漫長的時間裡，曾發生過頻繁的地磁極倒轉，即地磁南極和地磁北極換位。在古地磁學研究中，為描述方便起見，將古磁極與現今磁極位置一致時稱之為正極性，相反時稱之為負極性或反極性。

地球磁極倒轉是科學家在上世紀初發現的，是上世紀最重大的科學發現之一。根據古地磁學的研究，這樣的磁極性倒轉是以幾十萬年為尺度發生的，距今最近的磁極倒轉發生在78萬年前，在它之前的兩次倒轉分別為距今99萬年前和107萬年前。

也就是說，地磁每次發生倒轉的時間間隔不固定，沒有時間上的規律性。通過對過去1.6億年地球磁場變化的研究證實，每百萬年磁極有2次至6次的倒轉，但間隔不等。值得一提的是，距今1.2億年前至8000萬年的白堊紀中近4000萬年漫長的時間，磁極並沒有發生倒轉。但在過去78萬年中，曾發生過一些沒有成功的地磁極倒轉。

對於歷史上磁場變化情況是如何測出來的，潘永信指出，幾十億年的磁場變化，可以通過測量不同時期地層岩石的磁性記錄來確定。距今數千年的磁場還能通過考古材料如燒制陶瓷等來研究，因為磁場變化在岩石或陶片中會留有痕迹。

打個比喻，如果說地磁場變化是在「歌唱」的話，那麼岩石就如同天然的「錄音機和磁帶」，古地磁學的測量設備可相當於「播放機」。

地磁場是地球之「盾」

地球磁場是地球的重要物理場和環境因素之一。通過研究地磁場的變化，科學家們就能知道地球外核的變化。另外，從太空看磁層結構，地磁場包圍著整個地球，就像一把巨傘，保護著地球上的生物免受宇宙射線輻射的傷害，起到「盾」的作用，將大部分太陽風高能粒子阻擋在地球之外。地磁場還有一個重要作用就是導航，人類用指南針導航，航海、探索新區域；動物利用地磁場自導航，如大家熟悉的鴿子回家、魚類洄遊等。基於這一點，人類也可以進行磁導航的仿生研究，在GPS、雷達等不能應用時，利用無處不在的地磁場來導航。

地球磁場磁極為什麼會發生不定期的倒轉？潘永信表示，這是當今科學界的難題，尚在研究中。最主要的困難是地核在2900千米以下，是深不可及的。

可以這樣簡單來理解，地磁場產生於地球內部圈層中外核的「發電機」——組成外核的導電液態鐵的對流產生了地磁場。而外核之內的內核是固態的，它在不斷生長，向外放熱；外核的外面是地幔，地幔中也有速度相對慢得多的對流，還有超級地幔柱和深俯衝的板片。

這樣，可以看到在外核中有兩種主要驅動力維持外核的對流運動，一是熱驅動，二是化學驅動。前者就像開水沸騰，熱物質上升，冷物質下降；後者則是地球物質分異，重物質下降，而輕物質上升，這樣就產生了對流。在這兩種變化基礎上，核幔相互作用和下地幔結構的變化更是「推波助瀾」，其中最重要的就是源於地幔底部一直延伸到地表的超級地幔柱和岩石圈向地幔深處的俯衝。剛才講的外核散熱，其中途徑之一就是通過地幔柱傳輸、吸收、釋放熱量，這種冷、熱傳導及化學變化的程度、快慢直接影響了外核「發電機」的狀態，進而影響地磁場變化，包括地磁極倒轉的發生。

近百年來強度減弱屬正常波動

潘永信表示，在地球磁場極性發生倒轉前直至新的磁極穩定之前，地磁場的強度會衰減，可以減弱到正常值的20%，但只是減弱，不會消失。

78萬年前那次倒轉是從原先的負極性變為正極性，它的過程持續了7000年左右的時間。根據古地磁學研究發現，這幾千年間，南北磁極發生了多次變換。就是說，多次的快速倒轉，磁南極變成磁北極後沒「挺住」，又變回來了，之後又轉換為磁南極，這樣就呈現出了不穩定的狀態，但最終還是完成了南北磁極互換，形成了今天的地磁場。

磁極倒轉對地球產生什麼影響？

地磁場起到一個「盾」的作用，保護地球生物和大氣層，那麼如果磁極倒轉並伴有磁強度減弱的話，對太陽風粒子的抵擋、屏蔽作用會降低，就會有更多的高能帶電粒子進入地球大氣，到達地表。這對現代社會來說，最直接的影響就是強烈地衝擊電離層，可能引起電離層暴，對無線電通信、在軌衛星、航天設備造成損害。

對地球生物最直接的影響就是靠磁導航的生物會迷失方向，如鴿子迷失方向等，也可能會引起一些生物生命活動中生理紊亂。地磁極倒轉也可能對氣候產生影響，78萬年前那次倒轉對地球生物和大氣的影響值得深入研究。但人類的歷史太短，如北京猿人距今才五六十萬年，還沒有經歷過地磁極倒轉，也就沒有這方面的直接觀測記錄。

既然磁極倒轉是與地球內部能量交換及物質對流有關，並通過超級地幔柱直接延伸至地殼，那麼，發生磁極倒轉是否會同時引起地質構造如火山、地震的強烈變動？

潘永信表示，地磁極倒轉與地表地質構造活動沒有簡單的對應關係。從地球整體和長周期活動看，地磁極倒轉與超級地幔柱活動和板塊深俯衝可能有內在的聯繫，在地表會以構造或火山活動形式表現。但可以肯定，不是地磁極倒轉直接引起地質構造運動、火山活動和地震，而是地球深部活動最終導致了火山、地震等近地表劇烈變動。

對於有報道說目前地磁強度在減弱，這是否意味著磁極有可能發生倒轉？潘永信表示，不能簡單地下這樣的結論。科學家們前些年對這個問題展開過討論。根據研究，地磁場的強度經常處於變化之中，呈波動狀態。近百年來，地球磁場強度確實呈現減弱的趨勢，但如果放在萬年時間尺度上，這種減弱已多次出現，而且這次降低是從比正常值高的情況下往下降的，所以這次強度降低不能理解成是地磁極將要倒轉的證據。換句話說，磁極倒轉一定伴隨著磁場強度的減弱，但磁場強度的減弱不一定意味將要倒轉。而且目前磁場的強度與歷史上的低值比較的話，還要高出很多，屬於正常波動。

潘永信說，目前，已經有了地磁衛星和覆蓋全球的地磁觀測台網，能時刻記錄地磁場變化，科學家也已經開始了地磁場變化的預測研究，如果出現大的異常，會及時發現並採取相應措施的。