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    下一輪地磁反轉(zhuǎn)會是人類的末日嗎?

    2023-12-28 19:48:02遠(yuǎn)鏡
    科幻世界 2023年10期
    關(guān)鍵詞:極光磁場

    遠(yuǎn)鏡

    尼安德特之殤

    四萬兩千年前的一個(gè)深夜,一位老尼安德特人①正在山洞里休息,突然被密集的腳步聲吵醒了。此刻有許多人跑到洞外,望著天空,有人驚慌大叫,有人緊緊抓著長矛或砍刀。老人也走出洞口,只見山巒之上游蕩著一大片血紅色的光,還在不斷變換形狀。這種詭異天象,年輕人當(dāng)然少見多怪,但老人也感覺這現(xiàn)象近年來出現(xiàn)得越來越頻繁了。

    老人只好設(shè)法安撫眾人,開始講那些老故事,不管故事里出場的是魔鬼還是神明——就好像今天的因紐特人會說,那是在天之靈燃起的炬火,是專門給橫死者的靈魂引路用的。也許接下來還有某種祭祀和祈禱,需要眾人一起完成。

    等到光團(tuán)消隱,眾人回洞休息,也許他們之中有一位藝術(shù)家失眠了……也許地球上無數(shù)的藝術(shù)家都失眠了。他們不約而同地拿起血紅色的赭石,在洞壁上涂抹著圖案,或記錄,或創(chuàng)作,順便為進(jìn)化論的幸運(yùn)兒留點(diǎn)兒考古資料。

    從上帝視角看,這些尼安德特人的恐慌并非毫無道理——紅色極光的頻發(fā)仿佛預(yù)示著地球和族群的命運(yùn):全球環(huán)境將劇烈變化,紫外線和電離輻射增強(qiáng),云量和閃電數(shù)量增多,大氣環(huán)流重組,氣溫下降,冰蓋面積擴(kuò)大,海平面下降,動植物分布改變,食物越來越少,生存競爭越來越激烈……最終在一千多年后,尼安德特人滅絕。

    這一事件的“萬惡”之源可能是當(dāng)時(shí)發(fā)生的一次地磁反轉(zhuǎn)事件——拉尚漂移(Laschamps?Excursion)。

    以上情節(jié)是基于2021年澳大利亞科學(xué)家艾倫·庫珀(Alan?Cooper)等人在《科學(xué)》雜志發(fā)表的論文《四萬兩千年前的全球環(huán)境危機(jī)》②所做的想象。他們測量了新西蘭貝殼杉中碳-14含量的變化,進(jìn)行了大氣化學(xué)數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)拉尚漂移有可能深刻改變了全球氣候,尼安德特人滅絕和澳洲大型哺乳動物滅絕都可能與之相關(guān),甚至史前藝術(shù)都可能受其影響。

    四萬多年前的西班牙洞穴壁畫

    拉尚漂移期間,地磁南北極顛倒,磁場方向反轉(zhuǎn),持續(xù)約五百年才再次反轉(zhuǎn),回到之前的方向。但真正的危機(jī)在于其前后一千多年里,地磁場強(qiáng)度都遠(yuǎn)低于正常水平——強(qiáng)度最低點(diǎn)在前一次反轉(zhuǎn)前夕,只有今天的6%!庫珀等人特意將這一千多年命名為“亞當(dāng)斯地磁場過渡事件”(Adams?Transitional?Geomagnetic?Event)①。

    地磁場是地球的防護(hù)服。如果地磁場大幅減弱,地球只能裸身迎接太陽風(fēng)暴的襲擊和太陽系外高能射線的持續(xù)轟炸。

    本文開頭的情景——紅色極光在低緯度地區(qū)頻發(fā),可視為地磁大幅減弱的一種反映。極光本身就像一場戰(zhàn)火,是來自宇宙的高能帶電粒子沖擊地球大氣的產(chǎn)物。之所以叫“極”光,是因?yàn)檫@些粒子擊中地球之前,會被巨大的地磁場束縛住,粒子只能沿磁力線向南北極移動,所以通常只有極區(qū)才有極光。但如果地磁場太弱,高能粒子“乘虛而入”,就可以在低緯度地區(qū)產(chǎn)生極光,其中就包括尼安德特人生活過的歐洲南部地區(qū)。

    此外,最常見的極光是綠色的②。紅色極光③本屬于極為罕見的天象,一般出現(xiàn)于太陽爆發(fā)時(shí),但如果地磁減弱,也會變得常見。

    其實(shí)仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn),每條綠色極光的上端也是暗紅色的,因?yàn)榧t色極光只能發(fā)生在大氣更高層,且通常較暗,所以一般人印象中的極光是綠色的。

    每條綠色極光的上端也是暗紅色的

    高能粒子還會讓大氣電離。離子會引發(fā)閃電,燒焦樹木,增加地面木炭量;可以作為凝結(jié)核幫助水蒸氣凝結(jié)成小水滴,增加云量和降雨量;還會改變大氣化學(xué)平衡、降低臭氧濃度,使紫外線輻射增強(qiáng)。庫珀等人認(rèn)為,這些作用足以引發(fā)一場全球氣候劇變,就像歷史的扳道工,使整個(gè)氣象系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)全新的狀態(tài),這個(gè)狀態(tài)遠(yuǎn)比亞當(dāng)斯事件本身更持久。

    是危機(jī),也是機(jī)遇?

    雖然有些智人部落也滅絕于這個(gè)時(shí)期,另一些卻活了下來,甚至創(chuàng)造出了新文化。尤其在藝術(shù)領(lǐng)域,一場運(yùn)動悄然興起。庫珀等人指出,洞穴壁畫和巖刻的數(shù)量在大約四萬年前似乎有一個(gè)爆發(fā)式增長。已知最早的具象藝術(shù)也出現(xiàn)在這一時(shí)期,比如在印度尼西亞一個(gè)洞穴內(nèi)發(fā)現(xiàn)的一幅牛畫像。

    過去有人認(rèn)為這種“文化大爆炸”反映了古人類大腦認(rèn)知能力的躍變,但這個(gè)觀點(diǎn)缺乏生物學(xué)證據(jù)。而庫珀等人主張這是一種幸存者偏差:人類可能早就會玩藝術(shù),只是當(dāng)時(shí)的環(huán)境危機(jī)把人類逼入了洞穴——人類從此變成宅男宅女,過上宅生活,順便搞起一波宅文化。而這些“入”宅藝術(shù)更容易抵御日曬雨淋留存下來。

    印度尼西亞洞穴內(nèi)的牛畫像

    輻射也讓人類學(xué)會了防曬護(hù)膚。原始人懂得用獸皮遮體,但對于手這種獸皮遮不到的地方,仍需抹防曬霜。前述赭石就是一種古老的防曬霜,今天某些非洲部落還在使用,既能防曬,也能化妝。

    在洞穴宅生活中,赭石可能成了新型玩具,或者它早就是玩具,但某位天才把老玩具玩出了新花樣。比如有這么一種玩法:一只手貼在洞壁上,用嘴把磨好的赭石粉末往墻上“呼”地一吹,手拿開之后就留下一個(gè)手?。ㄈ缬覉D),保存在洞穴里四萬多年依然完整。

    所以“入”宅還是一場媒介革命:同一個(gè)洞穴里不同繪畫的時(shí)間差可達(dá)上萬年,說明兩位跨越萬年的藝術(shù)家曾有過對話,這都拜洞穴這個(gè)新媒介所賜。就像中國的摩崖石刻,設(shè)想有人游覽大好河山時(shí),突然詩興大發(fā),卻發(fā)現(xiàn)古老的山崖上早已刻了前人的字,這時(shí)他會想些什么,又會在旁邊刻些什么呢?

    西班牙埃爾卡斯蒂略洞穴(El Castillo Cave)中存在了四萬多年的手印

    地磁正處于反轉(zhuǎn)前夕?

    1905年,法國科學(xué)家伯納德·布容尼斯(Bernard?Brunhes)在火山熔巖中首次發(fā)現(xiàn)了地磁倒轉(zhuǎn)的證據(jù)。這些巖石含有少量鐵磁物質(zhì),它們就像琥珀標(biāo)本一樣,記錄著巖漿冷卻成巖石那一瞬間的地磁場狀態(tài)。布容尼斯發(fā)現(xiàn)巖石磁化的方向與現(xiàn)在的地磁場方向完全相反,由此可知地磁場過去發(fā)生過倒轉(zhuǎn)。這一結(jié)論在當(dāng)年顯得太驚世駭俗,直到五十多年后,實(shí)測證據(jù)越來越充分,才被科學(xué)界廣泛接受。

    現(xiàn)在已經(jīng)知道,在地球的歷史中,地磁反轉(zhuǎn)其實(shí)是常態(tài):平均每約50萬年就會發(fā)生一次大的地磁倒轉(zhuǎn)(geomagnetic?reversal),大倒轉(zhuǎn)之間還會有多次短期的反向或偏移,持續(xù)約幾千年又回歸原來的方向,稱為“地磁漂移”(geomagnetic?excursion)。最近一次地磁大倒轉(zhuǎn)發(fā)生在78萬年前,稱為“布容尼斯-松山倒轉(zhuǎn)”,從那以后又發(fā)生了至少13次地磁漂移,包括4.2萬年前的拉尚漂移。

    五百萬年以來的地磁大倒轉(zhuǎn)事件(K-Ar 年齡是通過地質(zhì)學(xué)中的鉀- 氬年代測定法測定的時(shí)間,單位MaBP 為Million year before present)

    要注意,無論倒轉(zhuǎn)還是漂移(本文不再區(qū)分),磁場都不只是改變了方向,還要伴隨一段大幅減弱的時(shí)期,強(qiáng)度通常會降到原來的十分之一以下.如前所述,引發(fā)環(huán)境危機(jī)的可能性正源于此。

    從1840年人類開始監(jiān)測地磁場至今,一百多年內(nèi)地磁場減弱了約9%,而且還在繼續(xù)減弱。其間磁極的位置也在移動,而且移動速度越來越快。此外,地球上有一片區(qū)域的磁場強(qiáng)度明顯低于周邊地區(qū),它大致覆蓋從南大西洋到南美洲的一部分,稱為“南大西洋異常區(qū)”,面積和異常程度也在不斷增長。據(jù)此,有科學(xué)家提出地球正處于地磁反轉(zhuǎn)的前夕。

    由歐空局SWARM 衛(wèi)星測量的2020 年地球磁場強(qiáng)度,可以明顯地觀察到“南大西洋異常區(qū)”

    但科學(xué)界反對這一觀點(diǎn)的聲音同樣很大。實(shí)際上,人類可能根本無力預(yù)測下一次地磁反轉(zhuǎn)的時(shí)間:一方面,地磁場變化的機(jī)制尚不明確;另一方面,即使我們明確了機(jī)制,也可能無法對地磁反轉(zhuǎn)做出確定的預(yù)測。

    對于地磁場的成因,目前最流行的假說是“發(fā)電機(jī)理論”(dynamo?theory),而這里的“發(fā)電機(jī)”特指自激(self?excitation)發(fā)電機(jī)。

    一個(gè)導(dǎo)電線圈在磁場中轉(zhuǎn)動,穿過線圈的磁感線數(shù)量發(fā)生變化,就會感應(yīng)出電流。但根據(jù)奧斯特定律,電流自身也會產(chǎn)生磁場。如果把這個(gè)磁場也利用起來,就能形成一個(gè)自我激勵(lì)的正循環(huán):磁場感應(yīng)出電流,電流又產(chǎn)生磁場。這樣一來,只需要?jiǎng)傞_始有一個(gè)“種子”磁場,自激循環(huán)會讓磁場不斷放大,直到達(dá)成某種穩(wěn)態(tài)——這就是自激發(fā)電機(jī)。

    地核很可能就是一個(gè)自激發(fā)電機(jī):地核溫度在四千攝氏度以上,那里有液態(tài)的鐵,相當(dāng)于導(dǎo)電線圈;地核中有對流,加上地球自轉(zhuǎn),相當(dāng)于線圈轉(zhuǎn)動;太陽和銀河系的磁場提供了“種子”磁場。于是,地核發(fā)電機(jī)就啟動并維持至今。

    這個(gè)模型還被用于解釋太陽、水星以及木星等巨型氣態(tài)行星的磁場,甚至是脈沖星的磁場。但月球、金星和火星沒有檢測出磁場。金星可能是因?yàn)樽赞D(zhuǎn)太慢,沒有達(dá)到發(fā)電機(jī)形成的條件。月球可能是因?yàn)楹诵奶。y以維持發(fā)電機(jī)狀態(tài)。而火星一般認(rèn)為曾有過磁場,但因?yàn)槟撤N原因(比如受到撞擊)發(fā)電機(jī)停止。

    即使發(fā)電機(jī)模型可以解釋諸多磁場現(xiàn)象,它本身也非常復(fù)雜:由一套非線性磁流體力學(xué)方程描述,要用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬或流體實(shí)驗(yàn)來研究。這些模擬或?qū)嶒?yàn)中,人們觀察到磁極反轉(zhuǎn)可以自發(fā)形成。

    太陽磁場大約每九到十二年就會反轉(zhuǎn)一次,與太陽活動周期同步。但太陽磁場反轉(zhuǎn)時(shí),磁場會明顯加強(qiáng),這與地磁反轉(zhuǎn)時(shí)相反。而且,歷史上地磁發(fā)生反轉(zhuǎn)的時(shí)間點(diǎn)是隨機(jī)分布的,有研究表明它是混沌的——這些性質(zhì)一定程度上可以由發(fā)電機(jī)模型解釋。

    但這就意味著,我們即使找到了完美的理論來解釋地磁反轉(zhuǎn),要想做任何長期預(yù)測也是不可能的。就像天氣系統(tǒng)的蝴蝶效應(yīng),或者《三體》中混亂的三體世界那樣,混沌系統(tǒng)的長期表現(xiàn)不可預(yù)測,因?yàn)槿魏我稽c(diǎn)微小誤差都會隨時(shí)間指數(shù)式放大。這樣的話,地磁反轉(zhuǎn)就跟天氣一樣,只能實(shí)時(shí)監(jiān)測,再結(jié)合數(shù)值模擬做一些“短期”預(yù)報(bào)。

    還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為,即使現(xiàn)在真的是地磁反轉(zhuǎn)的前夕,這個(gè)反轉(zhuǎn)的過程一般也需要上千年才能完成,那都是多少代子孫后的事了,我們著什么急呢?

    但在2018年,來自中國海峽兩岸的周佑民等科學(xué)家發(fā)現(xiàn)①,地磁反轉(zhuǎn)可能比這個(gè)“一般”快得多。他們從貴州遵義三星洞石筍中測得時(shí)間分辨率很高的古地磁數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)約十萬年前曾有過一次特別快的地磁反轉(zhuǎn),用時(shí)僅一百年左右。照此推測,我們其實(shí)有一定的可能性在有生之年經(jīng)歷一次地磁反轉(zhuǎn)!

    風(fēng)暴來襲

    如果地磁反轉(zhuǎn)真的能引發(fā)物種滅絕,那下一輪反轉(zhuǎn)滅絕的將會是誰呢?

    比起光腳的祖先,我們這些穿鞋的還多了一個(gè)保持警惕的理由:地磁一旦大幅減弱,受到威脅的將不僅是地球自然環(huán)境,還有我們每天都極度依賴的電力設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)。

    其實(shí)哪怕現(xiàn)在地磁正常,來自太陽的威脅也始終存在,只是危害相對較小。太陽平靜時(shí),太陽風(fēng)與地磁場相互作用達(dá)到平衡,會形成一個(gè)較穩(wěn)定的磁層,范圍約為六至十倍的地球半徑。但當(dāng)太陽活動爆發(fā),從日冕拋射出去的等離子體物質(zhì)幾天之后就會襲擊地球,擠壓和扭曲地球磁層。這就是地磁暴(geomagnetic?storm)。

    地磁暴其實(shí)很常見。手機(jī)定位有時(shí)不準(zhǔn),可能就是地磁暴造成的。我們?nèi)梭w對此沒有感覺,但動物是有的,諸如“地磁暴導(dǎo)致大量賽鴿失蹤,某某信鴿俱樂部損失慘重”的新聞時(shí)不時(shí)會出現(xiàn),因?yàn)樾砒澋群芏鄤游锏膶?dǎo)航都依賴地磁場,地磁暴會讓它們迷路。為此,空間天氣②(space?weather)預(yù)報(bào)會專門發(fā)布一個(gè)信鴿飛行指數(shù),用來評估今天適不適合放鴿子。當(dāng)然,空間天氣預(yù)報(bào)的主要用武之地是航天工程。就像許多科幻作品都喜歡用太陽風(fēng)暴制造險(xiǎn)情,地磁暴對航天員、衛(wèi)星和火箭發(fā)射都有影響;它對短波通信也有影響,有時(shí)甚至?xí)懊窈斤w機(jī)。

    如果有更強(qiáng)的地磁暴,劇烈變化的磁場會在導(dǎo)線中感應(yīng)出巨大的電流,直接燒毀電力設(shè)備。1859年9月1日發(fā)生過一場有史以來最嚴(yán)重的太陽爆發(fā),稱為卡靈頓事件,當(dāng)時(shí)已經(jīng)遍布?xì)W美的電報(bào)系統(tǒng)完全癱瘓,電報(bào)機(jī)甚至發(fā)出了火花,許多電報(bào)員遭到電擊。有人估算,假如這次爆發(fā)發(fā)生在今天,僅北美電力工業(yè)的損失就可達(dá)到上萬億美元。

    但當(dāng)?shù)卮艌鰪?qiáng)度下降時(shí),太陽風(fēng)暴“乘虛而入”,破壞力顯然還要大得多。這意味著以上所有事故的后果都會更嚴(yán)重,且發(fā)生得更頻繁。

    這一點(diǎn)可以借助前述“南太平洋異常區(qū)”來說明。這個(gè)區(qū)域的地磁場強(qiáng)度只有不到正常值的一半,衛(wèi)星和航天器經(jīng)過該區(qū)域上空的故障率遠(yuǎn)高于其他區(qū)域。

    至于地磁場強(qiáng)度真的減弱到十分之一以下時(shí)會發(fā)生什么,對整個(gè)電氣文明會造成多大破壞,科學(xué)家也知之甚少,只能做些推測,例如:

    1.紫外線、宇宙射線等輻射增強(qiáng),航空與太空經(jīng)濟(jì)都會受很大影響:機(jī)組人員和乘客患癌癥等疾病風(fēng)險(xiǎn)會增加,電子儀器發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)也會增加。防輻射技術(shù)可能會成為關(guān)鍵核心技術(shù),相關(guān)保險(xiǎn)業(yè)務(wù)可能也會興起。

    2.為了躲避有害輻射,宅生活可能會再次興起,甚至發(fā)展出新的宅文化——這次的新媒介也許是元宇宙?

    3.今天的智能手機(jī)都內(nèi)置了指南針,屆時(shí)這種地磁導(dǎo)航會難以使用?;A(chǔ)的天文觀測技能或?qū)⒊蔀槿癖匦拚n,就像古代的航海家一樣,人們又開始通過日月星辰識別方位。

    4.地磁暴預(yù)警發(fā)布后,衛(wèi)星可能要關(guān)機(jī),甚至全球電網(wǎng)也要關(guān)閉。這有點(diǎn)像電影《生存家族》的情景:有一天世界上所有電器都無法使用,住在東京的一家四口不得不逃到鄉(xiāng)下。這意味著,就算是對老百姓來說,空間天氣預(yù)報(bào)也可能比傳統(tǒng)天氣預(yù)報(bào)更重要。

    5.但別以為逃到鄉(xiāng)下就能高枕無憂了。如果輻射引發(fā)氣候劇變,還會造成糧食短缺,甚至大規(guī)模饑荒——前述尼安德特人滅絕的可能原因正在于此。

    不過我們可以再大膽一點(diǎn):與其坐等地磁反轉(zhuǎn),有沒有可能人為對地磁場進(jìn)行干預(yù)呢?

    在科幻電影《地心搶險(xiǎn)記》中,由于地磁消失,人類造了一艘探測船深入地核引爆核彈,重啟地磁場。這一方案的技術(shù)難度太高,不僅這種船造不出來,炸核彈也未必能產(chǎn)生這么好的效果。

    但還有一些看來更可行的方案,比如制造一個(gè)人工磁場來保護(hù)地球。在科幻小說《喧囂熒光》中,為了防御超新星爆炸產(chǎn)生的高能帶電粒子,人類為地球套上了一個(gè)巨大的線圈,相當(dāng)于一個(gè)巨大的電磁鐵①。這樣的人工磁場可能也會對地核產(chǎn)生影響,我們甚至可以借此操控地核,一旦發(fā)現(xiàn)顯著偏移,就啟動人工磁場,引導(dǎo)地核回歸正常狀態(tài),一開始就阻止地磁反轉(zhuǎn)發(fā)生。

    如果這項(xiàng)技術(shù)成熟,還可以復(fù)制到火星上,作為火星移民工程的配套設(shè)施?;鹦侨狈Υ艌霰Wo(hù),不僅易受高能粒子攻擊,火星大氣物質(zhì)也很容易被太陽風(fēng)刮走,建造一個(gè)行星級的磁場可以擋住高能粒子;如果要改造火星大氣,增加大氣壓,磁場也能防止物質(zhì)流失——這些想法顯然都是在對標(biāo)地球磁場。

    地磁暴:地球磁層受到太陽活動的擠壓和扭曲

    已經(jīng)有人嚴(yán)肅地考察了火星磁場工程的可行性。英國科學(xué)家露絲·班福德(Ruth?Bamford)等人在2022年的論文②中考慮過多個(gè)方案,其中最新奇的一個(gè)是:把火星某顆衛(wèi)星的物質(zhì)釋放出來,在太空軌道撒成一個(gè)巨大的等離子體環(huán),像土星光環(huán)一樣繞火星轉(zhuǎn)動。沿著等離子體環(huán)可以建設(shè)若干個(gè)太空站,用來驅(qū)動環(huán)中的電荷形成電流,從而產(chǎn)生磁場。這個(gè)方案是最省錢省力的,因?yàn)椴恍枰娴娜ソㄔ烊魏涡行浅叨鹊木扌徒ㄖ?/p>

    這也許是最樂觀的想象了。地磁場就像地球的守衛(wèi),默默保護(hù)了地球生命幾十億年,直到近幾百年才有一個(gè)物種認(rèn)識到它的存在,又進(jìn)一步認(rèn)識到它的過去、它的“性情”和它的“豐功偉績”。它給這個(gè)物種帶來的啟示,也許有一天,會幫助生命的種子傳播到宇宙中更遙遠(yuǎn)的地方。

    ①?尼安德特人(Homo?neanderthalensis)是人屬(Homo)分類下的多個(gè)物種之一,曾生活在歐洲?,F(xiàn)在的人類都屬于智人(Homo?sapiens),是人屬唯一現(xiàn)存物種。

    ②?論文網(wǎng)址:https://doi.org/10.1126/science.abb8677,引發(fā)的爭論見https://doi.org/10.1126/science.371.6531.766。

    ①?英語沒有“萬”這個(gè)單位,以千為單位,該事件距今剛好42個(gè)千年,正是被道格拉斯·亞當(dāng)斯的《銀河系漫游指南》捧紅的那個(gè)神秘?cái)?shù)字。

    ②?氧原子被來自宇宙的高能帶電粒子撞擊,激發(fā)到高能態(tài),保持一段時(shí)間后躍遷回到低能態(tài),同時(shí)以光子的形式釋放能量,綠色的極光即釋放出的波長為557.7nm的光子。

    ③氧原子躍遷產(chǎn)生波長為630nm的光子。

    ①?論文《地磁偏移期間多年代分辨的極性振蕩》,網(wǎng)址:https://doi.org/10.1073/pnas.1720404115。

    ②?這里的“空間”特指日地空間。

    ①?假設(shè)有一條導(dǎo)線沿赤道繞了地球一圈,要產(chǎn)生與今天的地磁場同等強(qiáng)度的磁場,需要通20億安培左右的電流。如果匝數(shù)更多,所需電流則按比例下降。

    ②?論文《如何為火星創(chuàng)建人工磁層》,網(wǎng)址:https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2021.09.023。

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