地球磁極真的要顛倒？

本報見習記者 趙廣立

▲一張體現地球磁極和地理磁極並不一致的示意圖。

▲地球內部結構及地磁北極從1990年至1996年的移動路徑示意圖，外地核據信是產生地磁場的源頭。圖片來源：百度圖片近日，英國《每日郵報》網站報道稱，地球磁場在過去200年中已減弱了15%，這有可能是地球磁場將反轉、兩極顛倒的先兆，一旦反轉，地球將遭遇強烈太陽風並可能引發持續數月的大規模停電。此外，反轉還將導致地球氣候發生劇烈變化，並使地表暴露在更多的太陽輻射之下，給人類帶來毀滅性影響。這已不是近年來人們第一次關於地磁將反轉的猜想了。在2012年，「地球磁場反轉」曾是「世界末日」的傳聞之一，有人相信「南北磁極將會急速倒轉，屆時地球屏蔽宇宙射線的能力會大大減弱，我們將暴露在更多的太陽輻射之中」。近百年來，地球磁場確實是在減弱，而且科學家也確實找到了史上地磁多次反轉的證據。地球磁場為何會減弱？未來真的會發生大反轉嗎？吉林大學地球探測科學與技術學院教授楊學祥在接受《中國科學報》記者採訪時表示，要弄清這個問題，先要知道地球磁場是如何形成的。地球磁場強度時強時弱楊學祥介紹說，地球內部圈層由外向內分為地殼、上地幔、下地幔、外核和內核，其中內核由固態的鐵組成，外核是黏滯性很低的導電液態鐵；同時地球的自轉速度在天體引力作用下不斷減慢。而重力分異造成地球各圈層成分的不同，內核重物質在下沉中加快了自轉速度，形成了不同圈層旋轉角速度的差異。另外，內核的高溫和高壓使電子遊離集中在核幔邊界，內核和地幔的差異旋轉使外核的自由電子相對內核自轉減速，相對地幔自轉加速，產生強大的環形電流，從而形成了地磁場。「液態外核的存在是地球磁場的熱能條件，圈層差異旋轉是地球磁場的動能條件，二者缺一不可。」楊學祥說，這種地球磁場的理論是目前人們比較容易接受的假說。「現有的鑽探技術，地下一萬米都到不了。人類對地心的科學認識能力受到很大限制，地球內部未知東西依然有很多。」國家空間天氣監測預警中心研究員、空間天氣預報台台長薛炳森表示，到目前為止，科學家並沒有完全了解地球磁場的產生、發生變化的原因以及發生這些變化的時間表。不過，人們有能力察覺地球磁場近兩百年來正在減弱。楊學祥告訴記者，儘管人類最近四五十年才能夠藉助相關儀器精確觀測地球磁場變化，但科學家可以通過不同年代形成的岩石的剩餘磁性判斷當時地球磁場的強度和方向。所以，人類現在有公認的上億年的地球磁場強度數據。美國聖迭戈斯克里普斯海洋研究所的研究人員稱，儘管目前地球磁場強度正經歷一個減弱的過程，但是與過去數百萬年地球磁場強度的平均值比，當前依然處於一個較高的區間，「地球磁場的強度有可能在500年內衰減到0，但更可能像過去數千年內發生的那樣發生反彈，而非一直降低到0」。楊學祥告訴記者，即便是地磁強度持續減弱，也不一定引起磁極反轉。「數百萬年內僅反轉3次說明氣候發生重大變化時才會有磁極反轉，如上億年前的大冰期和溫暖期的轉變，幾十萬年的冰期和間冰期的轉變。如果本次磁極發生轉變，則意味著第四紀大冰期的結束，類似中生代溫暖期的再現。」地磁反轉並無規律楊學祥指出，如果地球磁場發生反轉，理論上要經過磁場強度減弱、0磁場強度出現、磁極反向並且反向強度逐漸增強三大步驟。現在人們已知道20世紀的100年里，磁北極點一直在加速漂移，每年平均約移動10千米，兩極磁場也在減弱，故長此下去，地磁是會發生倒轉的。北京天文館館長朱進曾表示，地球磁極早晚會反轉，「通過以前的觀測可以知道，地球的磁極會有一個南北極互換的現象，但這需要一個非常長的時期，絕不可能在短時間內完成，至少在我們有生之年不可能遇到這種事情」 。薛炳森也認為，目前有些地區地磁場強度確實在下降，但是否意味著磁場強度會持續降低、將會在未來千百年尺度內發生反轉，科學界還存在很大的爭議，沒有定論，需要繼續觀測和深入研究。有研究顯示，地球磁場的反轉可能跟地球的內在動力有關。2008年，美國馬里蘭大學地球物理學家Dan Lathrop製作了一個26噸重的地球模型，內部也含有一個相似的液態的鐵核。他使這個球旋轉（自轉），看它的內部流體的運動是否能產生一個磁場。這個實驗讓人們了解到地球磁場強度變化可能受哪些因素的影響。通常這樣一個穿透南北極地區的磁場會穩定存在很久。但是偶爾，地球磁場會發生倒轉或者強度發生改變。地磁兩極在過去數百萬年中確實發生了很多次的倒轉。根據鐵磁沉積物的記錄，最近一次地磁倒轉發生在78萬年前。有文章聲稱，地磁倒轉會周期性發生。楊學祥認為這沒有任何科學依據。「在過去1.6億年內，地磁倒轉發生得非常沒規律。」長期數據顯示，歷史上穩定的地磁場最長大概保持了4000萬年之久（在6500萬年前的白堊紀），而最短的只保持了數百年。因此，地磁倒轉並不具有固定的發生周期，科學家們無法預言下一次地磁倒轉會在什麼時候發生，因為它在地球歷史上看起來像是隨機發生的。地磁異常和氣候變化2013年，日本研究人員發現，地球磁場強度發生變動與極地冰蓋增減導致地球自轉速度出現變化有關。這一研究成果顯示，地球磁場會受到氣候變化的長期影響。楊學祥則認為，作為「地球之盾」，地球磁場本身異常是引起氣候、地質等變化的重要因素。「地磁強弱等變化是極端氣候屢屢發生的影響因素之一。地球磁場保護地球大氣和地表生物不受太陽風的襲擊，地球磁場強度減弱或消失，地球大氣將被太陽風颳走，地表生物將面臨類似歷史上出現過的大滅絕。」楊學祥指出，計算機模型的計算結果表明，如果兩磁極的強度繼續減弱，則來自太陽的粒子流便可能使高達40%的地球高緯度臭氧被破壞，每次的破壞時間將長達數月至一年之久，這也為南北極海冰融化提供了合理的解釋。楊學祥認為，如果地磁反轉真的發生，在期間產生一個地磁強度為零的時期，則地球有可能由於失去地磁的保護，發生新一輪的生物演進。「但零磁場與生物演進確切的關係是怎樣的，目前證據並不充分，任何一個實驗室都無法完成如此巨大規模的模擬實驗。」不過，薛炳森認為，太陽風等空間天氣中強帶電粒子，主要對太空的衛星造成不利影響，對地球上的生物影響有限。即便地球磁場真的發生崩塌或反轉，厚厚的大氣層下，太陽風的帶電粒子產生的弱磁場對人類影響也有限，「比如在南極和北極，地磁場對地球的保護幾乎為零，太陽風直接衝擊地球大氣層，也只會產生極光景象。」《中國科學報》 (2014-03-28 第13版 科普周刊)
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