下一輪地磁反轉(zhuǎn)會是人類的末日嗎？

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。