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地磁场为何会倒转?下一次倒转何时来?看详细分析

2018-09-13 09:08来源:北京日报

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   新闻背景

  近日,海峡两岸科学家联手在著名学术期刊《美国科学院院刊》上发表了一篇论文,通过研究贵州三星洞内的石笋,他们发现地磁的南、北极可快速倒转,可能只需要一百多年。这可能会对地球生物圈、卫星通讯设备等造成影响。

   地磁倒转的发现

  在太阳系中,地球是一个非常特别的星球,她表面有大量的液态水,有独特板块构造,有地震、火山,更是有一个全球性的磁场。所谓全球性的磁场,就是说整个地球的地磁场是一致的,所有地方磁极的指向都是相同的,有着共同的地磁南极和北极。不像火星,磁场是局部的,不同的地方磁极的指向不同。

  由于地磁场的存在,从太阳吹向地球的大量高能射线(太阳风)在靠近地球的时候被扭曲转向,阻止太阳风直接接触电离层,使电离层不至于逸散。另一方面,在大气层的顶部,有一些气体分子会发生电离逃逸,比如氧离子和氢离子。而地磁场能够把将要逃逸的离子重新送回电离层,维持大气的稳定。

  虽然地磁场摸不着看不见,但是人类利用磁场的时间很早。在古代中国,就有利用司南和指南鱼指示方向的记录。但是,直到1600年,才由英国著名的物理学家吉尔伯特首次提出,地球本身就是一个巨大的磁铁,有两个磁极,指南针的工作原理就是磁铁之间的吸引,并且正确指出地球内部有一个铁的内核。不过,在随后的数百年里,人们一直认为,地磁场,至少地磁的方向,是不变的,指南针指示的南北方向是恒定的。但后来发现,地磁场是非常不稳定的,不管是方向还是强度。

  和其他重大的地质学发现一样,人类对地磁倒转最初的认识来源于对岩石的研究。在地球的岩石中,或多或少都会含有一部分的铁。在岩浆岩中,当高于某一特定温度时,里面磁性元素铁的磁场会在地磁的作用下定向排列;当冷却低于这一温度时,岩石就不再受地磁的影响,从而记录下当时地磁场的方向。物质的这一特性是著名的物理学家居里夫人最先发现的,后来人们就把这一特定的温度称为居里点,不同物质的居里点并不相同。在沉积岩中,其中的铁在沉积的过程中,受地磁场作用也会发生重排,从而记录下当时的地磁场方向。

  在1906年,法国地球物理学家布容在研究法国中南部火山区熔岩及其下面的黏土沉积物的时候,发现岩石记录的磁极和现在的地磁极是相反的,从而推测地球的磁场可能发生过倒转。在上世纪20年代,日本地质学家松山对日本、朝鲜和中国东北的玄武岩进行了大规模的磁性调查,系统地研究了地磁倒转的问题。但这些研究在当时并未引起足够的重视。

  直到上世纪50年代,随着地质年代学的发展,科学家才逐渐意识到地磁倒转是一个全球性的问题,并开始着手运用地磁学解决诸多地质学的问题。比如,在大洋底的玄武岩中发现了对称的磁异常条带,这是因为从地球深处不断上涌的岩浆向两侧扩展,记录下了当时的古地磁方向,这种条带成为海底扩张的直接证据。时至今日,地层记录的古地磁方向,仍旧是地质学家恢复板块在历史时期的位置以及漂移轨迹的最有力证据。

   未解之谜——地磁场倒转

  地磁学的研究在解释地球构造方面取得了巨大的成功,但是地磁场为什么会倒转?到目前为止,这个问题并没有一个让人满意的答案。在2005年,美国著名杂志《科学》在创刊125年之际,向全世界各领域的顶尖科学家征询意见,提出来125个重要科学问题,地磁倒转之谜即为其中之一。

  在过去的8300万年中,地磁场共倒转了183次,而且没有明显的规律,有时候100万年可以倒转五六次,有时候可能只有一次。在恐龙繁盛的白垩纪(侏罗纪后),地磁场稳定了4000万年没有发生倒转,这段时间地磁场的方向和今天是一样的,是迄今为止地层记录中持续最长的地磁稳定期。最近的一次倒转发生在78万年以前,并保持至今。

  地磁场的产生以及倒转可能和地核的状态以及运动有关。地核的深度为2900公里,又可以分为外壳和内核,其中外核为液体,内核为固态。地核的主要组成为铁和镍,另外还有硅、硫等元素,温度在5000摄氏度以上。现在一种比较流行的观点认为,地磁场起源于地核的运动。由于地核极度的高温和液态的存在形式,外核物质与热量的对流十分普遍。我们知道,铁是一种磁性金属,其对流可以造成磁场与电流的相互激发,形成稳定的全球性磁场。这被称为地球发电机模型。

  虽然地磁场产生的具体原因尚有待进一步研究,但比较确定的是肯定和液态的地核有关。和地球十分类似的月球和火星,由于体积较小、冷却快,地核已完全固化,因而没有全球性的磁场存在。

  实验室理论模拟结果表明,地核的运动是不规律的,产生的磁场会随机转向。但是,这种实验室的模拟结果,是否适用于自然状态,仍有待验证。

   我们现在处于下一次地磁倒转的关口吗?

   很久之前就有人预言,现在地磁场正在减弱,我们也许处在地磁倒转的关口。

  地球磁极的变动,并不是一瞬间的事情,一般会持续数千年或数百年的时间。本次海峡两岸科学家的研究结果甚至说明,地磁场可以在一百多年的时间内完全转向。根据对地球上历次古地磁倒转的研究结果,在地磁场倒转期间,会有两种现象,一个是地磁极的快速移动,另一个是地磁场强度的减弱。

  前面我们提到,在古代,地磁场就已经被用来指示方向,但是地理的北方和指南针指示的北方并不是重合的,二者有一个夹角,称为磁偏角,地球上不同位置的磁偏角并不相同。早在宋代,沈括在《梦溪笔谈》中就记载了磁偏角的存在。而且,地磁的北极在也在不断的变化,在20世纪伊始,地磁的北极点位于加拿大北部列岛,现在已经移动到了地理北极点附近,正朝着俄罗斯西伯利亚方向运动,100余年间向北移动了15°(纬度)还要多。不仅如此,移动的速度还不一样,近30年来有加速的趋势。但相对应的地磁南极变化就比较小,虽然也在靠近地理的南极,但移动了不足5°。在地磁倒转期间,磁极可能会移动到中低纬度地区,比如处于中国境内,甚至赤道附近。地磁极不断移动的结果,可能就是地磁极的倒转。

  不仅如此,现今地磁场的强度也在不断减弱。自1932年德国著名数学家高斯第一次记录地磁场强度以来,到目前磁场强度已经下降了大约10%。历史上在地磁倒转期间,地磁场的强度最大可能会下降到现在的5%左右。

  历史上各次地磁倒转大都会伴随地磁场强度下降,以及磁极的漂移,但这并不一定都会最终导致地磁倒转,也可能只是地磁场正常的波动。也许我们现在正处于新一次地磁倒转的关口,也许不是。由于地磁场变化的极度不规律性,科学家并不能给出准确的预言,目前只是有这种可能性,但要多久才能完全倒转,并不确定。毕竟,这是至少几十万年才会发生一次的事,并没有规律可循。

   延伸阅读

   地磁减弱或倒转对生物圈影响大吗?

  可能有人还记得,在2009年有一部热映的电影《2012》。在这部影片中,2012年地球的地磁场突然发生倒转,由磁北极突然变为磁南极,并由此引发一系列灾难,比如辐射增强、通讯中断等,社会陷入一片混乱。

  虽然电影中地磁倒转的后果很恐怖,但实际上影响并没有那么大。地磁场可以屏蔽外太空射线,可以维持大气稳定,为迁徙动物导航。但是目前并没有发现生物大灭绝与地磁倒转有明显的对应关系,地磁倒转的次数远大于生物大灭绝的次数。这说明,地磁倒转对生物影响并没有那么大。

  在地磁极倒转期间地磁场会减弱,但不会消失,这并不意味着对生物造成毁灭性的打击。我们浓厚的大气同样可以屏蔽大部分的宇宙射线,而且地磁倒转的时间也是比较短的,对大气的影响也很小。但是对依靠地磁场来导航的生物的影响并不是十分清楚,也许它们会很快适应新的磁场。磁场虽然会减弱,但不会消失,而且也会有好处,比如低纬度地区也可以看到漂亮的极光。总体而言,地磁倒转对生物系统的影响是很有限的,不需要过分担心。

  不过,地磁场的减弱或许对人类的电力设备有较大的影响。失去地磁场的保护,来自外太空的高能射线可以直接影响卫星,造成通讯中断,或者造成电力设备损坏或停电,就像太阳黑子爆发的磁暴。

   贾斌

[责编:白璐]

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