磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換之謎

地球磁場(chǎng)能夠保護(hù)我們免受太陽輻射的危險(xiǎn)。如今地球磁場(chǎng)正在變得越來越不穩(wěn)定，南北磁極會(huì)轉(zhuǎn)換嗎？

磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為什么越來越頻繁

你可能會(huì)認(rèn)為指南針總是指向北方，但事實(shí)上，在遙遠(yuǎn)的地球歷史上，南北磁極已經(jīng)歷過多次轉(zhuǎn)換。地球磁場(chǎng)的存在對(duì)于地球生命意義重大，它能夠保護(hù)地球生物免受太陽輻射的危險(xiǎn)。但至今為止的地質(zhì)證據(jù)分析表明，如今地球磁場(chǎng)正在變得越來越不穩(wěn)定。在遙遠(yuǎn)的過去，地球南北磁極要比現(xiàn)在穩(wěn)定得多，每隔500萬年出現(xiàn)一次南北磁極大逆轉(zhuǎn)，但是現(xiàn)在，南北磁極的轉(zhuǎn)換正在變得越來越頻繁，每隔20萬年就會(huì)翻轉(zhuǎn)一次。

地球磁場(chǎng)由地核提供動(dòng)力。地心是一個(gè)固體內(nèi)核，周圍是呈流體狀的外核，越往中心溫度越高，外核中熾熱的鐵水不斷上升，然后冷卻下沉。這種對(duì)流，加上地球的旋轉(zhuǎn)，就像一個(gè)巨大的“發(fā)電機(jī)”，為地球磁場(chǎng)提供動(dòng)力。

由于地球中心溫度和鐵水流動(dòng)情況的變化，導(dǎo)致南北磁極位置發(fā)生變化，這些變化會(huì)在巖石上留下痕跡。熔巖冷卻時(shí)，巖漿中的磁鐵礦物質(zhì)按地磁場(chǎng)的方向被磁化，巖漿冷卻并凝固下來后，地磁場(chǎng)的方向和磁極被保留在磁化了的巖石中。因此科學(xué)家可以根據(jù)熔巖年代以及上面留下的痕跡，推算出歷史上各個(gè)不同時(shí)期磁極的位置。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在過去1億年里，地球磁場(chǎng)已發(fā)生過大約170次磁極逆轉(zhuǎn)事件，最近一次的地球南北磁極逆轉(zhuǎn)發(fā)生在78.1萬年前。

磁極逆轉(zhuǎn)是否正在變得越來越頻繁？在理論上，這要取決于地核中發(fā)生了什么樣的變化。

研究人員認(rèn)為地心內(nèi)核在緩慢增長(zhǎng)，而地心外核則在逐漸變冷凝固，這意味著磁極翻轉(zhuǎn)會(huì)更頻繁。美國(guó)加州大學(xué)圣克魯斯分校的加里·格拉特茲梅爾和他的同事通過模擬實(shí)驗(yàn)表明，地心內(nèi)核越大，對(duì)地心外核巖漿流動(dòng)的阻力就越大，磁場(chǎng)也越不穩(wěn)定。

但這一點(diǎn)很難證實(shí)，因?yàn)樵绞枪爬蠋r石上磁場(chǎng)方向的證據(jù)越是難以完好保存下來。芬蘭赫爾辛基大學(xué)的托尼·維科萊恩將從5億～30億年歷史的巖石樣本上獲得的一批數(shù)據(jù)收集在一起。首先，他淘汰了所有不可靠的數(shù)據(jù)，例如，將有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)混亂的含有赤鐵礦的樣本排除在外，一些冷卻緩慢的巖石也被排除在外，如花崗巖。

通過這些數(shù)據(jù)資料，維科萊恩發(fā)現(xiàn)，在遙遠(yuǎn)的過去，地球磁場(chǎng)要比現(xiàn)在穩(wěn)定得多，磁極逆轉(zhuǎn)的頻率要比現(xiàn)在低得多。1億～15億年前，地球磁場(chǎng)逆轉(zhuǎn)每隔370萬年發(fā)生一次，但在更遙遠(yuǎn)的15億～29億年前，地球磁場(chǎng)每隔500萬年才翻轉(zhuǎn)一次。

而在較近過去的1.5億年里，地球磁場(chǎng)每隔60萬年翻轉(zhuǎn)一次，在更近些的1千萬年至20萬年里，地球磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的速度繼續(xù)加快，每隔20萬年至25萬年就翻轉(zhuǎn)一次。維科萊恩說：“這些證據(jù)表明，地球磁場(chǎng)過去要比現(xiàn)在穩(wěn)定得多，磁極逆轉(zhuǎn)的頻率也要低得多。”

下一個(gè)磁場(chǎng)逆轉(zhuǎn)事件會(huì)很快到來嗎？這很難說。根據(jù)歐洲航天局的衛(wèi)星群收集到的最新數(shù)據(jù)顯示，地球磁場(chǎng)正以每10年5%的速度在變?nèi)?，雖然磁場(chǎng)總是在不斷的變化之中，但地球磁場(chǎng)每100年5%的速度發(fā)生變化可能更正常一些，因此一些人推測(cè)下一次磁極逆轉(zhuǎn)可能正在迫近。

在磁極逆轉(zhuǎn)發(fā)生時(shí)，地球磁場(chǎng)會(huì)大大減弱，甚至消失一段時(shí)間，到時(shí)會(huì)發(fā)生什么目前還不十分清楚，但據(jù)科學(xué)家們推測(cè)，有可能極大地影響到電網(wǎng)和通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

地心活動(dòng)與磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換

地球深處的地心是一個(gè)難以想象的地方。在離地面5000多千米的含鐵豐富的地核內(nèi)，超高溫度堪比太陽表面的溫度，巨大的壓強(qiáng)相當(dāng)于20頭藍(lán)鯨的重量作用在一張郵票上。

正是地心中的這種極端環(huán)境生成了地球磁場(chǎng)，也正是有了覆蓋整個(gè)地球表面的地磁力，我們這顆行星上才有可能孕育出豐富多樣的生命形式。當(dāng)太陽帶電粒子偶爾造訪地球時(shí)，地球磁場(chǎng)可迫使其轉(zhuǎn)變方向，避免地球遭到被狂暴的太陽帶電粒子“狂轟濫炸”的厄運(yùn)。沒有強(qiáng)大磁場(chǎng)的這道防線，太陽風(fēng)暴來臨時(shí)，地球上所有的生命形式都會(huì)被烤干，地球大氣層也將會(huì)逐漸消失。

幾十年來，科學(xué)家們一直在努力探索地球磁場(chǎng)和磁性的秘密。有一個(gè)普遍認(rèn)可的共識(shí)：地心外核流動(dòng)鐵水的導(dǎo)熱性產(chǎn)生磁場(chǎng)。然而，近幾年科學(xué)家對(duì)地球磁場(chǎng)的研究有了更多新的發(fā)現(xiàn)。2012年時(shí)有科學(xué)家提出，如今地心中的流動(dòng)鐵液的導(dǎo)熱性比之前所認(rèn)為的更強(qiáng)，這意味著早期地球即使有磁場(chǎng)存在，磁力也很弱，但令人困惑的是，古代巖石上的磁極變化記錄顯示，強(qiáng)大的磁場(chǎng)已經(jīng)保護(hù)了地球幾十億年。

地心中的熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流

那么，這到底是怎么回事呢？2015年1月，超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬提供了一個(gè)可能的答案。計(jì)算機(jī)模擬地心中極端溫度和極端壓力環(huán)境中電子圍繞鐵原子活動(dòng)的情況顯示，早期地球地心中鐵的熱傳導(dǎo)率極低，足以產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)，當(dāng)時(shí)，研究人員認(rèn)為地心神秘之謎可能已經(jīng)得到解決。但之后研究人員模擬地球地心極端環(huán)境的實(shí)驗(yàn)讓人們懷疑，雖然離真正的答案更近了一些，但地心之謎真的那么容易得到解決嗎？

我們知道，熱對(duì)流就像平時(shí)燒水，先是下面的水受熱，然后升上去，上面涼的水就會(huì)降下來然后受熱。熱對(duì)流一般是發(fā)生在氣體和液體中的，受熱的氣體或液體會(huì)帶著熱量升上去，涼的氣體或液體會(huì)下沉，受熱后繼續(xù)升上去，上去后丟失了熱量又會(huì)降下來。這樣反復(fù)循環(huán)，就是對(duì)流。熱傳導(dǎo)是發(fā)生在固體中的，重要的是兩個(gè)固體要接觸，然后熱量會(huì)通過兩個(gè)物體分子的接觸從高熱量的物體傳到低熱量的物體，直到它們的溫度相等。

地心中的地核就像一個(gè)巨大的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，宇宙中星體物質(zhì)大碰撞時(shí)期遺留下來的能量為它提供了大量的“燃料”，隨著地球逐漸冷卻，內(nèi)核逐漸凝固，但外層的原始能量仍然圍繞著凝結(jié)成固體的內(nèi)核運(yùn)動(dòng)著。一些熱能通過熱傳導(dǎo)作用在原子間傳導(dǎo)，但當(dāng)熱能超過了內(nèi)熱傳導(dǎo)作用的極限時(shí)，較熱的部分就會(huì)像熱氣球中的熱空氣一樣上升，較冷的部分向下沉降，形成熱對(duì)流，隨著對(duì)流作用開始形成，地核物質(zhì)也開始運(yùn)動(dòng)起來。

熱對(duì)流使得外核融化的鐵水像漩渦一樣旋轉(zhuǎn)起來，不斷旋轉(zhuǎn)的熾熱液體起著巨大發(fā)電機(jī)的作用，維持和強(qiáng)化著原有的磁場(chǎng)。如果更多的熱量是通過熱傳導(dǎo)作用，而不是通過熱對(duì)流作用來傳播，這個(gè)“發(fā)電機(jī)”的運(yùn)動(dòng)就會(huì)減弱，磁場(chǎng)也會(huì)變?nèi)酢?/p>

5年前，科學(xué)家認(rèn)為地心外核中鐵液的熱量大部分是通過熱對(duì)流作用傳輸?shù)?但2012年多個(gè)研究小組分別發(fā)現(xiàn)并提出，更多熱量是通過熱傳導(dǎo)作用在地核中傳輸，地核中的熱對(duì)流則相對(duì)較弱，如果是這樣，是否意味著地球磁場(chǎng)會(huì)有麻煩呢？

美國(guó)華盛頓卡內(nèi)基科學(xué)研究所地球物理學(xué)家彼得·德里斯科爾說：“這是一個(gè)令人震驚的結(jié)論?！睂?duì)于熱對(duì)流作用驅(qū)動(dòng)強(qiáng)大地球磁場(chǎng)的理論，人們開始產(chǎn)生了疑問。

地球磁場(chǎng)活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)與理論

研究發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)現(xiàn)代地球地核運(yùn)動(dòng)的并不僅僅是熱對(duì)流，在早期地球漸漸冷卻的過程中，地心中的鐵開始由內(nèi)而外凝固起來，這個(gè)過程還在繼續(xù)之中，目前固體內(nèi)核向外增長(zhǎng)的速度高達(dá)每秒6000噸。較輕的元素，如氧和硫，混合在固化的鐵中被擠壓進(jìn)入地心外核，向外的推力導(dǎo)致地心外核劇烈攪動(dòng)，維持著地磁“發(fā)電機(jī)”的持續(xù)運(yùn)行。到目前為止，地核的凝固部分只占4%，還有大量能量可繼續(xù)維持磁場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)十億年。

地球磁場(chǎng)的未來我們還不需要擔(dān)心，但地球磁場(chǎng)的過去依然還是一個(gè)撲朔迷離的謎。2012年對(duì)地球地核的熱傳導(dǎo)率估計(jì)表明，地核只是在過去10億年里才開始凝固，在此之前，地核中緩慢的熱對(duì)流只能產(chǎn)生一個(gè)弱磁場(chǎng)。

然而，巖石記錄顯示的卻似乎與我們推斷的不一樣。2015年7月，美國(guó)紐約羅切斯特大學(xué)地球物理學(xué)家約翰·塔都諾和他的同事在《科學(xué)》雜志上發(fā)表文章提出了最古老地球磁場(chǎng)記錄的證據(jù)。通過測(cè)量嵌入古代晶體中的磁性雜質(zhì)，研究人員證明，42億到33億年前，地球已經(jīng)形成了一個(gè)比較強(qiáng)大的磁場(chǎng)，變化幅度相當(dāng)于如今地球磁場(chǎng)的約12 %～100%。

從那時(shí)開始的地球磁場(chǎng)早期變化的歷史也同樣令人困惑。地球物理學(xué)家推測(cè)，當(dāng)較輕的物質(zhì)離開內(nèi)核，以一種新的方式“攪拌”這個(gè)巨大的磁力發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)突然增加，“為磁場(chǎng)提供了一個(gè)新的動(dòng)力。”美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)地球物理學(xué)家彼得·奧爾森在2013年《科學(xué)》雜志上發(fā)明的一篇論文中，對(duì)這種難以捉摸的現(xiàn)象稱為“新的地核悖論”，即地球磁場(chǎng)的主流理論和地磁變化歷史留下的記錄無法吻合。

然而，導(dǎo)致這一悖論的觀點(diǎn)也并非是最后定論。地心溫度可達(dá)6000℃，壓強(qiáng)是海平面大氣壓強(qiáng)的300萬倍以上，人們無法真正進(jìn)入地心一游，根本沒有直接測(cè)量和收集數(shù)據(jù)的辦法。目前科學(xué)家還無法在實(shí)驗(yàn)室里精確模擬地心的極端環(huán)境，測(cè)量出準(zhǔn)確的熱傳導(dǎo)率。事實(shí)上，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里模擬實(shí)驗(yàn)的溫度通常都低于1700℃，目前只能根據(jù)差強(qiáng)人意的模擬條件來推斷地心中發(fā)生的一切。

因此，這種推斷可能會(huì)產(chǎn)生模棱兩可的結(jié)果，因?yàn)樗俣ǖ氖?，?shí)驗(yàn)溫度和地心實(shí)際溫度之間的差異，不會(huì)明顯改變地心中熔巖的行為方式，但這只是一種可能的設(shè)想。2015年早些時(shí)候，研究人員提出，對(duì)熱傳導(dǎo)率估計(jì)過高，可能是忽略掉了實(shí)驗(yàn)條件下相對(duì)較低溫度與地心中實(shí)際上的惡劣溫度環(huán)境之間的差異導(dǎo)致的某些東西，而這被忽略掉的某種東西有可能是解決新產(chǎn)生的地心悖論的關(guān)鍵。

要了解鐵熔液的熱傳導(dǎo)率，就需要深入了解電子是如何繞著鐵原子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的。在鐵這樣的金屬里，是通過自由移動(dòng)的電子傳輸電荷和熱能，鐵的導(dǎo)電性能和傳熱性能取決于這些電子的傳輸能力。

在地球表面的溫度和壓力條件下，抵抗電子移動(dòng)的阻力被認(rèn)為來自鐵原子本身。電子與振動(dòng)的鐵原子相撞，限制了電能和熱能的傳輸。然而，地核中的鐵熔巖的行為卻非常的不同，在地核中鐵熔液受的擠壓力是正常密度的1.6倍，而大量的熱能也極大地提高了電子運(yùn)動(dòng)的速度。

磁場(chǎng)是地球的強(qiáng)大保護(hù)神

2015年7月，研究人員對(duì)古老巖石的分析表明，強(qiáng)磁場(chǎng)保護(hù)地球至少已有42億年的歷史了，在地球歷史上磁場(chǎng)一直是地球強(qiáng)大的保護(hù)神。

美國(guó)卡內(nèi)基科學(xué)研究所地球物理學(xué)家羅納德·科恩和他的同事對(duì)地核中的鐵的行為進(jìn)行了數(shù)字模擬，他們不是試圖在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行復(fù)制地核中的極端條件的實(shí)驗(yàn)，而是通過數(shù)字模擬準(zhǔn)確跟蹤每個(gè)電子的活動(dòng)。

科恩團(tuán)隊(duì)的模擬從處于地心溫度和壓力條件下的數(shù)百個(gè)鐵原子開始，電腦程序?qū)γ總€(gè)鐵原子和電子施加壓力，推動(dòng)每個(gè)粒子一點(diǎn)一點(diǎn)向前移動(dòng)，一遍又一遍地重復(fù)這一過程，直到通過這些“快照”創(chuàng)建出一個(gè)電子移動(dòng)的視頻。對(duì)龐大數(shù)量的粒子活動(dòng)進(jìn)行模擬，以及對(duì)它們之間錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算是一項(xiàng)非常耗時(shí)耗力的工作，即使是通過超級(jí)計(jì)算機(jī)，也無法得到確切的熱傳導(dǎo)率，研究人員只能通過一次又一次的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，盡可能降低程序?qū)﹁F的熱傳導(dǎo)率計(jì)算的不確定性。

在達(dá)到之前實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)，科恩團(tuán)隊(duì)的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果與之前1700℃溫度時(shí)預(yù)測(cè)的鐵的熱傳導(dǎo)率相一致。而在超過這個(gè)溫度時(shí)，一個(gè)之前完全被忽略了的交互作用開始出現(xiàn)，他們發(fā)現(xiàn)，除了鐵原子振動(dòng)時(shí)的電子散射之外，熱能激發(fā)的電子活動(dòng)也更加頻繁，并開始相互碰撞。在地心環(huán)境中，這種電子間碰撞的作用，與電子與鐵原子的碰撞同樣重要，并在實(shí)際上導(dǎo)致受到的阻力翻了一番，使得熱傳導(dǎo)率降到只有2012年估計(jì)的約一半。

這個(gè)新得出的較低的熱傳導(dǎo)率估計(jì)值，是否可以幫助解決近年來令人困惑的矛盾和問題呢？多名地球物理學(xué)家對(duì)此持謹(jǐn)慎樂觀的態(tài)度，不管怎么說，新的熱傳導(dǎo)率估計(jì)仍然只是一種理論，它需要實(shí)驗(yàn)結(jié)果來證實(shí)更高溫度下電子與電子間的碰撞活動(dòng)。但到目前為止，這仍然是很難實(shí)際進(jìn)行的一種實(shí)驗(yàn)。

美國(guó)德里斯科爾提出，新產(chǎn)生的地核悖論也并非不可破解，來自地心內(nèi)核的大量熱量流足以產(chǎn)生維持磁場(chǎng)的對(duì)流。他認(rèn)為，額外的熱量可能來自放射性元素的衰變。據(jù)研究人員推測(cè)，地核中可能含有大量的放射性鈾和釷。據(jù)德里斯科爾計(jì)算，現(xiàn)代地核中相對(duì)少量的放射性物質(zhì)也足以轉(zhuǎn)化為古代磁場(chǎng)的巨大推動(dòng)力。如果說如今只有少量的放射性物質(zhì)給地核提供熱量，這意味著幾十億年前，地心中曾有著大量的放射性原子驅(qū)動(dòng)著熱量的傳輸。

地球表面以下數(shù)千米的地核中到底發(fā)生了些什么，科學(xué)家仍在探索和爭(zhēng)議之中。這是一個(gè)值得探討的問題，激勵(lì)著人們?nèi)ヌ剿鞯睾撕偷厍虼艌?chǎng)的真相。