地球的磁極緣何會反轉

每隔一段時間，地球的磁極就會完全反轉，這是何故？這又如何影響地球上的生物？

圖解：地球磁場的藝術化圖景；

圖源： Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images

宇宙中的地球，是個由巖石和水組成的綠洲。地球之所以是生命繁衍的理想之地，是多個因素作用的結果。

地球和其母星太陽的距離適中，使得液態水能夠在表面存在。太陽系中許多行星也擁有巨大的引力場，使得我們遇上小行星碰撞等災難事件的概率下降。此外同樣很重要的一點是，地球的磁場像屏障一樣環繞并保護著地球，使我們免受劃過太空的帶電粒子的傷害。

地球的磁場是由外核中熔融金屬物質的復雜流動產生的，其流動受到地球自轉和固態鐵核的影響，最終產生了一個偶極磁場，其方向大致與地球的自轉軸一致。

古地層中的鐵礦石中暗含著古時候地磁場的痕跡，通過研究這些痕跡我們可以發現地球磁場的方向隨著時間流逝而不斷變化。這些鐵礦石是由富含鐵元素的巖漿冷卻而形成的，而在冷卻過程中，其中的每個鐵磁性顆粒都像小磁針一樣被當時的地磁場拉拽，并指向當時的地磁北極。古地磁場的方向就這樣被礦石記錄下來了，對其進行的研究就位于“古地磁學”的范疇內。

古地磁學研究表明：在地球的歷史中，地磁場的方向多次偏移，甚至曾經多次兩極反轉。但為什么會這樣呢？

地磁極為何反轉

地磁場的變化非常普遍，在數毫秒的短時間內會微微小變，在數百萬年內的長時間內也會緩緩大變。前者可由太空中的帶電粒子和地磁場之間的相互作用引起，而后者——程度大但是緩慢的變化，則是由地球液態外核的演變引起的。

“地磁場的長期變化歸因于液態外核中物質的對流，以及磁場在地核、地幔中的傳播。”地球物理學家萊昂納多·薩格諾蒂（Leonardo Sagnotti）說道。

由外核中金屬物質運動引起的磁場變化曾導致地磁場兩極的完全反轉。古地磁學研究認為，地磁場有兩種可能的狀態——其一是當前的地磁場所處于的“正常”狀態，磁力線從北極附近穿入地球并從南極附近穿出；其二是將南北磁極顛倒過來的狀態，這個狀態也同樣穩定且可能出現。

古地磁學研究亦表明，地磁場兩極的反轉不是周期性的，其出現時機無法預測，這主要歸因于它的產生機理。

“地球外核中的液體（主要是熔融鐵）的流動是紊亂的，存在湍流。地磁極反轉發生在地磁場強度低的時期，在此期間，地磁場強度急劇下降，并變得不穩定。”薩格諾蒂說。

地磁極反轉的過渡期在地質學尺度上似乎只有一剎那（遠低于地質學分辨率），持續時間可能只有幾千年。

圖解：地球周圍磁場的樣子，橙色和藍色線條分別描繪磁北極和南極附近磁力線；

圖源：美國宇航局/戈達德太空飛行中心科學可視化工作室

地磁極反轉如何影響生物

地磁極反轉的先兆是其強度的減弱，這會導致太陽風和宇宙射線（以帶電粒子的形式）在更大程度上進入地球的大氣圈。最近的一項研究表明，在大約41,000年前發生的拉斯錢普(Laschamp)時期，即一個較近的地磁場強度較弱的時期，大氣圈頂部接受的輻射量比現在的值高出了三倍。

目前尚沒有證據表明地球生物大規模滅絕與地磁極反轉之間存在顯著相關性。無獨有偶，地磁場強度的減弱和物種滅絕率或新物種形成率的變化之間的相關性研究，也因這些事件在時間尺度上不適配而受到阻礙。

實際上，地磁反轉在地質時間尺度上頻繁發生（在過去的1.6億年中發生了數次），而記錄的大規模滅絕事件發生在每億年左右（頻率低得多）。

就人類文明而言，令人擔憂的并不是磁極的偏移，而是隨之而來的地磁場強度的減弱。人類社會越來越依賴現代科技，各國政府和國際組織應當嚴肅考慮地磁場減弱的影響。

“在這種情況下，帶電粒子未能被地磁場阻隔而進入近地空間的頻率將顯著增加，這對我們的現代社會有重大影響。”薩格諾蒂補充說。

“我們的星球和文明所面臨的這個風險，影響人類社會的方方面面，其可能對商業、安全、通信、電力基礎設施、衛星以及近地軌道上的人們產生嚴重的影響。不幸的是，地磁場變化或反轉的發生似乎是隨機的，意味著我們無法準確預測此類事件的發生時機，我們唯一知道的是這肯定會發生。”

BY: Conor Feehly

FY: 浪漫主義學派

如有相關內容侵權，請在作品發布后聯系作者刪除

轉載還請取得授權，并注意保持完整性和注明出處