北極到底怎么了？

編譯 姚人杰

磁極正在偏轉，而且偏轉得比以往更快。為了弄清原由，我們必須探究地球的中心。

你能否指出北極？幾乎不可能。即使你有羅盤在手，你也可能輕易弄錯。假如你在加利福尼亞，你的羅盤指針也許會偏差整整18度?！澳阈枰紤]到這一點，就算你只是在徒步旅行，偏差可能就是往左走和向前走的區(qū)別。”威廉·布朗（William Brown）在英國地質(zhì)調(diào)查局說道。

因為磁場的局部扭曲，你的羅盤可以丟棄；不僅如此，磁北極也不在以前的位置。1900年，磁北極位于加拿大；一個世紀之后，磁北極靠近格陵蘭島。在過去18年里，磁北極每年向東快速移動大約40公里，目前一路奔向西伯利亞。

地球磁場的奇異行為并不止這些。它偶爾還會翻轉磁極：在地球歷史的某些時候，羅盤指針會指向我們所稱的南極方向。就算在如今，在地表下的某些地方，羅盤仍然會指向錯誤的方向。到底發(fā)生了什么？這個謎團對于科技和地球的未來具有深遠的影響。

為了對付這個問題，我們需要像儒勒·凡爾納那樣探訪一趟地球中心，那兒有著磁場的本源，但這并非實用的做法。相反，富有創(chuàng)造力的頭腦早已探究出：地球磁場在千萬年前被凍結在星球中，建造出包含液態(tài)鈉的巨大旋轉球體。所有這些能幫助我們更好理解地球、避開太陽風暴、找出正確的回家路線。

盡管我們之中極少有人去過北極地區(qū)，但我們對北極感覺像科羅拉多大峽谷或珠穆朗瑪峰之類的地標一樣熟悉，小孩子知道北極是圣誕老人居住的地方。但在世界之巔有著不止一個極點，有地理北極，那是地球自旋軸與地面接觸的地方；有磁北極，地球磁場在那兒徑直指向下方。北極在移動中，在地球另一頭的南極同樣如此。磁南極并不位于如你預料的南極洲中央，而是在稱為維多利亞地的區(qū)域的海岸外。

數(shù)世紀以來，磁場是如何形成的一直是個謎團，從勒內(nèi)·笛卡爾（René Descartes）到愛德蒙·哈雷（Edmond Halley）等思想家都為之煩惱。愛因斯坦曾經(jīng)認為磁場的來源是物理學中最大的未解謎團之一，他考慮過的想法是，磁場是電子和質(zhì)子這兩種粒子的電荷之間的不匹配帶來的結果。但最終勝出的想法由愛爾蘭物理學家約瑟夫·拉莫爾（Joseph Larmor）在100年前提出。他提出：磁場是地球中心的翻滾導電液體的結果（地磁場）。

我們有充足理由相信拉莫爾是正確的。我們從穿過地球的反彈聲波知道，地球擁有兩部分的金屬核。內(nèi)核的溫度有6 000攝氏度，比太陽表面更熱，但因為巨大壓力而保持固態(tài)。外核是熔化的鐵，體積是月亮的7倍。

外核的外層與內(nèi)層溫度不同，這意味著液態(tài)鐵始終以對流形式流動。炙熱的液態(tài)鐵涌向外核的外層表面，然后降溫變得更加致密，并再次落回內(nèi)部。液態(tài)金屬中充滿電子，電荷的流動產(chǎn)生磁場。

假如這種流體的流動僅依賴對流，那么地球磁場也許會呈現(xiàn)相對簡單的形態(tài)。然而，地球的自轉將流體推向不同方向，而推動力取決于流體在星球的位置。而且，離內(nèi)核不同距離的液態(tài)金屬的密度不同，從而它的粘度也不同。這些因素疊加起來，在外核中形成復雜的紊流模式，產(chǎn)生混亂糾纏的磁力線。

考慮到所有這些情況，磁北極沒有猛烈偏轉看來令人驚訝；但流動發(fā)生得很緩慢?！爱斘覀冋f流動是紊亂的，我們是指在數(shù)萬年的時間尺度上?！奔又荽髮W圣克魯茲分校的加里·格拉茨邁爾（Gary Glatzmaier）說道。

于是，這種緩慢的紊亂可以解釋磁極點的偏轉；但接下來會發(fā)生什么尚不清楚。磁北極是否繼續(xù)移動？可能移動多遠？是否會在磁極完全翻轉的邊緣？這些是值得提出的問題。畢竟，是地球磁場讓太陽風的帶電粒子轉向，否則那些粒子會像傾盆大雨一樣落在我們頭上。沒有人期望地球磁場會發(fā)生任何劇烈變化，如果發(fā)生了，它會讓我們付出昂貴代價。

要掌握磁場的未來，一種辦法是審視它的過往。當磁性巖層形成（如長石變熱再變冷）時，其內(nèi)的晶體對準當時主要磁場的方向?！澳承┚w內(nèi)部有磁性夾雜物，它們是磁場的絕佳記錄器?！绷_切斯特大學的約翰·塔杜諾（John Tarduno）說道。解讀這些晶體，就獲知幾百萬年前的磁場記錄。

而且，那是一份相當了不起的記錄，顯示出地球磁場在歷史上的減弱和增強，甚至偶爾是完全翻轉。我們知道，在過去的8 300萬年里發(fā)生過183次磁極翻轉，最后一次發(fā)生在78萬年前。塔杜諾與他的同事分析了來自加拿大魁北克、擁有5.65億年歷史的磁性巖，發(fā)現(xiàn)那時的磁場大約比現(xiàn)在弱了10倍，是到目前為止測量到的最低值。在當時，地球經(jīng)歷了75 000年的變動期，磁場混亂無常，迅速改變方向，強度時強時弱。

這不僅確認了地球磁場在千萬年里一直在變化，它也揭示出早期地球的更多情況。塔杜諾說：“看起來當時磁場正在崩潰邊緣。”假如崩潰真的發(fā)生，地球上就不太可能出現(xiàn)復雜生命。沒有磁場的話，大氣層會被太陽風吹走，任何生命形式都會遭受強烈輻射。是什么防止了這場災難？根據(jù)塔杜諾對磁場記錄的詮釋，那是因為地球堅實的內(nèi)核結構。

在這個時候，整個地核看上去都像熔化了，但也開始顯著降溫，這會減緩對流，削弱磁場。但它也會允許最深的那部分地核開始結晶。硅和氧之類較輕的元素會從固體中排出，進入初生的外核，使得它的較深部分不那么致密，為對流增加新的力量?！拔覀兿嘈?，當內(nèi)核開始形成，它為磁場提供新的能量源泉?！彼胖Z說。

他的研究也揭示出，目前地球表面從津巴布韋延伸到智利的區(qū)域的磁場極弱。事實上，因為那片區(qū)域的磁場如此微弱，經(jīng)過該區(qū)域上空的衛(wèi)星需要保護。缺少正常磁場的防護，衛(wèi)星的電子裝置處于被太陽風燒毀的危險。塔杜諾和同事已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在這片區(qū)域的一個地點，也就是非洲南部地下的古登堡界面，磁場實際上逆轉了，羅盤在那兒會指向南極。“這是件令人震驚的事。”塔杜諾說。

偏轉的磁極

地球磁場的北極一直在向西伯利亞移動，在過去幾年里移動速度越來越快

他和團隊在各種地點看到過往的異常情況，甚至已經(jīng)開始觀察它們是如何移動的?！暗搅四硞€階段，我們能在地核流（core flow）中追蹤一些異?，F(xiàn)象?！彼胖Z說。他們甚至能看到，那些異常現(xiàn)象偶爾演變成完全的逆轉?！坝袝r，這些異常情況不斷增大，以至于整個磁場突然逆轉極性?！彼f道。這就提出了疑問：磁北極的偏轉是不是標志著即將發(fā)生磁場逆轉？

那是格拉茨邁爾與同行試圖查明的一件事。為了實現(xiàn)那個目標，他們需要超越測量過往磁場，建立磁場的計算機模型，預測磁場的下一步變化。譬如說，從應用于移動導電流體的物理基本定律開始，他們能制造出“偶極”（dipole：有兩個相反磁極的磁場）。當他們運行模型后，他們看到隨著時間和地點不同導致的強度變化；他們也看到偏轉的磁極點，甚至看到偶爾的磁場逆轉。所有這些都和我們在現(xiàn)實世界里看見的現(xiàn)象相一致。2019年4月，他們模擬了磁北極向東移動時的快速“地磁變化”。

盡管這讓人印象深刻，模型仍然未能完全模擬真實的磁場?！拔覀兊挠嬎銠C模型很復雜，但現(xiàn)實磁場更復雜?！备窭倪~爾說。沒有人擁有建立磁場逼真模型的計算能力。“流體結構扭曲和改變了現(xiàn)存的磁場，在此過程中產(chǎn)生更多磁場。我們不得不使用十分粗糙的近似模型?！?/p>

假如你想要預測地表任何一個地點的磁場方向，情況會變得更加復雜。地球“地磁場”模型不會運作得那么完美，因為磁巖集中區(qū)可能會侵入局部磁場，產(chǎn)生磁偏差，讓磁力線偏離南北縱向。這就是在加州部分地區(qū)和世界許多其他地方，羅盤為何不會筆直指向北方的原因。

四個北極

你能區(qū)分地磁北極和難抵極嗎？

地理北極位于地球的自轉軸上，地理南極在另一端。

磁場極是地球磁場徑直指向下方的地方，因此你的羅盤指針在那兒會不停旋轉。

地磁極是最靠近磁場極、軸線又穿過地球中心的地點（磁北極和磁南極之間的連線不穿過地球中心）。

北難抵極（圖中未顯示）是北冰洋中最遠離陸地的地點。

或許，我們需要更加逼近現(xiàn)實的模型（物理模型而不是數(shù)字模型）。作為地核的物理模型，馬里蘭大學丹尼爾·拉斯羅普（Daniel Lathrop）的液態(tài)鈉球體實驗裝置最令人印象深刻。

正如任何化學老師告訴你的，鈉是一種難以處理的金屬，甚至在極小量時也是如此。鈉變濕時會著火，有時在潮濕空氣里會自燃，在學校的化學藥品儲藏柜里，鈉通常都安全地保存在油中。

拉斯羅普要應付的不是小劑量的鈉。在他的實驗中，他會旋轉一個直徑有3米的不銹鋼圓球，球內(nèi)裝滿了液態(tài)鈉。整套裝置重達20噸。在圓球中心有一個直徑1米的實心金屬內(nèi)核，它可以高達每秒15周的速度獨立旋轉。外側表面上分布著31個磁強計，由它們測量裝置產(chǎn)生的磁場。因為這套地核模型比真實的地核小許多，馬里蘭大學的研究團隊用比鐵導電更佳的金屬、更快的旋轉速度進行彌補：當裝置設置到全速時，圓球每秒會旋轉4周。

拉斯羅普和他的團隊已經(jīng)演示，液態(tài)金屬的紊流會增強和維持磁場，證實拉莫爾的地磁場假設確實符合事實。然而，到目前為止，他們尚未得以讓磁場自發(fā)出現(xiàn)；而根據(jù)推測，地球的磁場必定是自發(fā)出現(xiàn)的。他們目前要先施加種子磁場，再由攪動的液態(tài)鈉放大這個磁場。這讓人看到希望，但又讓人感到氣餒：我們無法表明地球磁場是“無中生有”的，僅能證明它來自于導電流體的運動，而且無法確定模型的有效性，也無法用這個圓球裝置來預測磁場何時會經(jīng)歷逆轉。

拉斯羅普的實驗也許遺漏了一個關鍵要素。研究團隊已經(jīng)識別出金屬中的一種似乎由進動引起的弱流（weak flow）。進動是一種額外旋轉，就像輕輕推動一個旋轉中的陀螺，讓它擺脫直立狀態(tài)，這會導致陀螺繞著垂直軸緩慢旋轉，同時也繞著它自身的軸自轉。地核肯定受到這種進動影響，當?shù)厍蚶@著太陽旋轉時，地球受到月球引力的牽引。但拉斯羅普的裝置沒有生成進動的明確機制。拉斯羅普發(fā)現(xiàn)，在他的實驗里，這些弱流似乎是由地球本身的旋轉方式產(chǎn)生。

我們也許能從德國德累斯頓正在建設的改進的新研究項目中獲知更多信息。2018年，亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心（HZDR）實驗室的研究人員計算出，讓液態(tài)鈉繞著兩根軸旋轉的話，應該能讓磁場自發(fā)形成。他們的計算也模擬了與軌道平面垂直線相差23.5度的地球進動方式。

這個想法的實際實施非常大膽。這套裝置會包括一個裝有8噸液態(tài)鈉的圓筒，圓筒會繞著長軸以每秒10周的速度自轉，又會繞著一根略有不同的軸以每秒1周的速度旋轉。安全問題是最讓人關切的事。HZDR的安德烈·吉塞克（André Giesecke）說：“我們有一棟建筑專門來進行液態(tài)鈉實驗，該建筑中還有另一套建筑用于防泄漏。實驗運行時，沒人會在建筑里?！?/p>

這些驚人的研究值得付出努力。更好理解地球磁場能讓人類避免更大的危險。假如我們能弄懂地球磁場如何變化，我們就能在保護電網(wǎng)免受太陽風暴破壞方面做更多，因為太陽風暴能從磁場變?nèi)醯牡胤介L驅(qū)直入；我們也能避開宇宙射線傷害人類的可能。在最極端的情況下，我們可能徹底失去地球磁場，就像火星在大約40億年前的遭遇。那樣會放松地球?qū)Υ髿鈱拥目刂?，最終使得我們的家園變得像紅色火星一樣不適合居住。地球磁場可能有奇異行為，磁極可能偏轉，但我們不能想當然地以為：地球磁場這層護罩會永久存在。