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自然科学知识——十万个为什么
之 自然科学知识

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地球磁场为何经常变化?

  在地球45亿年的生命史中,地磁的方向已经在南北方向上反复反转了好几百次。

  地球的磁场并非亘古不变,它的南北磁极曾经对换过位置,即地磁的北极变化成地磁的南极,而地磁的南极变成了地磁的北极,这就是所谓的“磁极倒转”。

  人们在世界各地记录当地的地磁场方向和强度;后来科学家们又发现在火山熔岩和大陆与海底的地质沉积物当中,能够找到更加久远的历史上的地磁记录。所有这些数据都告诉我们,地球磁场的空间分布非常复杂,反映了它的产生机制也非常复杂,决不是可以简单地想象为由一根南北向的磁铁棒所发出的;而地磁场的方向与强度在漫长的历史当中随着时间而发生的变迁,也是充满了未解之谜。

  地球磁极变化的最激动人心一幕是“磁极倒转”事件。在地球演化史中,“磁极倒转”事件经常发生。仅在近450万年里,就可以分出四个磁场极性不同的时期。有两次和现在基本一样的“正向期”,有两次和现在正好相反的“反向期”。而且,在每一个磁性时期里,有时还会发生短暂的磁极倒转现象。

  地球磁场的这种磁极变化,同样存在于更古老的年代里。从大约6亿年前的前寒武纪末期,到约5.4亿年前的中寒武世,是反向磁性为主的时期;从中寒武世到约3.8亿年前的中泥盆世,是正向磁性为主的时期;中泥盆世到约0.7亿年前的白垩纪末,还是以正向极性为主;白垩纪末至今,则是以反向极性为主。如果把地球的历史缩短成一天,在这期间你会发现手上的指南针像疯了似的乱转,一会儿指南一会儿指北。

  在电影《后天》中我们曾看到这样的镜头,群鸟迅速迁徙甚至一头撞向墙壁,大如拳头的冰雹砸向四处躲避的人群。电影为我们真实地展示了地球磁场易位对人类的危害。

  地球为什么有磁场?磁场又为什么会反转?

  第一种解释:地球磁场变化可能与来自地下的低频辐射有关

  虽然人类已经进入21世纪,科学改变了我们的生活,但科学却还没有征服自然,更多的时候它只是在记录那些不可思议的事情是如何发生的。例如,未知的地下低频辐射。

  科学家发现来自地下的低频辐射与一些神秘的事故存在密切关系。现在尚不清楚产生这种辐射的确切原因,但科学家估计可能是地壳运动的结果。当地壳剧烈运动时,电磁粒子就会从地下逃逸出来。检测显示,当这种辐射爆时,交通事故和求医看病的人会明显增多。

  科学家还观察到地球磁场出现了空洞,由此推断地球磁极可能在不久的将来改变方位。事实上,现在北磁极就在向西伯利亚方向移动,南磁极则移向澳大利亚海岸。科学家推断磁极1.5万年才会易位一次,每次都造成大批动物死亡,恐龙、猛犸象很可能就因此灭亡,大西洋一些神秘沉没的海岛也可能与磁极易位有关。

  地球上还有不少黑暗地带,在这些区域里事故频发,人体器官也会严重受损。科学家认为这也是辐射在“搞鬼”。在地质断裂带及不同层面的地下水流交汇地区,磁场会出现异常变化,这种变化甚至对大气电流都有影响。研究显示,只有5%的人对地下辐射具有抗干扰能力。

  第二种解释:地球是一个巨大的“发电机”

  大多数人认为,指北针当然指向北方。数千年以来,水手依靠地球磁场来导航;而鸟类和其他对磁场敏感的动物已经应用这个方法有更长一段时间了。说来奇怪,地球的磁极并不是一直都指向现在的方向。

  矿物可以记录过去地球磁场的方向,人们利用这一点,发现在地球45亿年的生命史中,地磁的方向已经在南北方向上反复反转了好几百次。不过,在最近的78万年内都没有发生过反转——这比地磁反转的平均间隔时间25万年要长了许多。更有甚者,地球的主要地磁场自从1830年首次测量至今,已经减弱了近10%。这比在失去能量来源的情况下磁场自然消退的速度大约快了20倍!下一次地磁反转即将来临吗?

  一些地球物理学家认为,地球磁场变化的原因来源于地球中心的深处。地球像太阳系里的其他某些天体一样,是通过一个内部的发电机来产生自己的磁场。从原理上,地球“发电机”和普通发电机一样工作,即由其运动部份的动能产生电流和磁场。发电机的运动部份是旋转的线圈;行星或恒星内部运动部分则发生在可导电的流体部分。在地心,有着6倍于月球体积的巨大钢铁融流海洋,构成了所谓的地球发电机(geodynamo)。

  我们探究磁场如何反转之前,需要了解是什么驱动着地球发电机。在1940年代,物理学家就公认:三个基本条件对产生任何的行星磁场是必需的,并且自那以后的其他发现都是建立在这一共识之上。第一个条件是:要有大量的导电流体──地球地心的外核是富含铁的流体。这个临界层包裹着一个几乎纯铁的固态地心内核,深埋在厚重的地幔和极薄地大陆、海洋地壳之下。距离地表的深度约2900千米。地壳和地幔重量带来的极大负荷,造成了地核内的平均压力是地表压力的200万倍。此外,地心的温度也同样极端──大约为摄氏5000度,和太阳表面的温度相近。

  这些极端的环境条件,构成了行星发电机的第二要件:驱动流体运动的能量来源。驱动地球发电机的能量,部份是热能,部份是化学能——两者都在地心深处造成浮力。就像一锅在火炉上熬着的汤一样,地心的底部比顶部热(地心的高温是地球形成时截留在地球中心的热能)。这意味着地心底部较热的、密度较低的铁趋向于上升,就像热汤里的水滴。当这些流体到达地心顶部时,会由于碰到上覆的地幔而丧失部份热量。于是液态铁会冷却、密度变得比周围的介质高,从而下沉。这个通过流体的上升和下降来自下而上传递热量的过程称为热对流。

  现任职于美国加州大学洛杉矶分校的StanislavBraginsky在1960年代指出过,热量从地心上部的外核逸出也会导致地心固态内核体积的膨胀,产生两种另外的浮力来源来驱动对流。当液体的铁在固态内核的外部凝固成晶体时,潜在的热量——结晶热会作为副产品被释放出来。这些热量有助于增强热浮力。此外,密度较低的化合物(如硫化铁和氧化铁)被内核的结晶体排出并穿过外核上升,也会加强对流。

  行星要产生自维持的磁场,还需要第三个条件:旋转。地球的自转通过科里奥效应(Corioliseffect)使地心内上升的流体偏转,就像我们在气象卫星影像上看到的洋流和热带风暴被科里奥效应扭曲成熟悉的漩涡状一样。在地心中,科里奥力(Coriolisforces)使上涌的流体偏转,沿着螺旋形的轨迹上升,仿佛沿着松弛弹簧的螺旋状金属线运动。

  地球有着一个富含铁的液态地心能够导电、有足够的能量驱动对流、有科里奥力使对流的流体偏转,这些是地球发电机能够维持它本身数十亿年的主要原因。但科学家需要更多证据来回答磁场的形成和为什么随着时间的推移会改变极性等令人迷惑的问题。

  根据卫星测量数据外推至地心-地幔边界的地球磁场的等高线图显示大部分磁通量是在南半球穿出地心,在北半球进入地心。但是在少数特殊区域,确实出现了相反的情况。这些反向通量带在1980年和2000年之间增长和扩张;如果它们覆盖了两极,接着就会发生极性反转。

  虽然上述两种解释都有经过验证的科学理论作为依据,但也有一些科学家对此提出了他们的疑问。希望在不久的将来,科学家能够为我们揭开谜团。


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