磁場轉換之謎

地球磁場能夠保護我們免受太陽輻射的危險。如今地球磁場正在變得越來越不穩定，南北磁極會轉換嗎？

磁場轉換為什么越來越頻繁

你可能會認為指南針總是指向北方，但事實上，在遙遠的地球歷史上，南北磁極已經歷過多次轉換。地球磁場的存在對于地球生命意義重大，它能夠保護地球生物免受太陽輻射的危險。但至今為止的地質證據分析表明，如今地球磁場正在變得越來越不穩定。在遙遠的過去，地球南北磁極要比現在穩定得多，每隔500萬年出現一次南北磁極大逆轉，但是現在，南北磁極的轉換正在變得越來越頻繁，每隔20萬年就會翻轉一次。

地球磁場由地核提供動力。地心是一個固體內核，周圍是呈流體狀的外核，越往中心溫度越高，外核中熾熱的鐵水不斷上升，然后冷卻下沉。這種對流，加上地球的旋轉，就像一個巨大的“發電機”，為地球磁場提供動力。

由于地球中心溫度和鐵水流動情況的變化，導致南北磁極位置發生變化，這些變化會在巖石上留下痕跡。熔巖冷卻時，巖漿中的磁鐵礦物質按地磁場的方向被磁化，巖漿冷卻并凝固下來后，地磁場的方向和磁極被保留在磁化了的巖石中。因此科學家可以根據熔巖年代以及上面留下的痕跡，推算出歷史上各個不同時期磁極的位置。

科學家發現，在過去1億年里，地球磁場已發生過大約170次磁極逆轉事件，最近一次的地球南北磁極逆轉發生在78.1萬年前。

磁極逆轉是否正在變得越來越頻繁？在理論上，這要取決于地核中發生了什么樣的變化。

研究人員認為地心內核在緩慢增長，而地心外核則在逐漸變冷凝固，這意味著磁極翻轉會更頻繁。美國加州大學圣克魯斯分校的加里·格拉特茲梅爾和他的同事通過模擬實驗表明，地心內核越大，對地心外核巖漿流動的阻力就越大，磁場也越不穩定。

但這一點很難證實，因為越是古老巖石上磁場方向的證據越是難以完好保存下來。芬蘭赫爾辛基大學的托尼·維科萊恩將從5億～30億年歷史的巖石樣本上獲得的一批數據收集在一起。首先，他淘汰了所有不可靠的數據，例如，將有可能導致數據混亂的含有赤鐵礦的樣本排除在外，一些冷卻緩慢的巖石也被排除在外，如花崗巖。

通過這些數據資料，維科萊恩發現，在遙遠的過去，地球磁場要比現在穩定得多，磁極逆轉的頻率要比現在低得多。1億～15億年前，地球磁場逆轉每隔370萬年發生一次，但在更遙遠的15億～29億年前，地球磁場每隔500萬年才翻轉一次。

而在較近過去的1.5億年里，地球磁場每隔60萬年翻轉一次，在更近些的1千萬年至20萬年里，地球磁場轉換的速度繼續加快，每隔20萬年至25萬年就翻轉一次。維科萊恩說：“這些證據表明，地球磁場過去要比現在穩定得多，磁極逆轉的頻率也要低得多。”

下一個磁場逆轉事件會很快到來嗎？這很難說。根據歐洲航天局的衛星群收集到的最新數據顯示，地球磁場正以每10年5%的速度在變弱，雖然磁場總是在不斷的變化之中，但地球磁場每100年5%的速度發生變化可能更正常一些，因此一些人推測下一次磁極逆轉可能正在迫近。

在磁極逆轉發生時，地球磁場會大大減弱，甚至消失一段時間，到時會發生什么目前還不十分清楚，但據科學家們推測，有可能極大地影響到電網和通信系統的正常運行。

地心活動與磁場轉換

地球深處的地心是一個難以想象的地方。在離地面5000多千米的含鐵豐富的地核內，超高溫度堪比太陽表面的溫度，巨大的壓強相當于20頭藍鯨的重量作用在一張郵票上。

正是地心中的這種極端環境生成了地球磁場，也正是有了覆蓋整個地球表面的地磁力，我們這顆行星上才有可能孕育出豐富多樣的生命形式。當太陽帶電粒子偶爾造訪地球時，地球磁場可迫使其轉變方向，避免地球遭到被狂暴的太陽帶電粒子“狂轟濫炸”的厄運。沒有強大磁場的這道防線，太陽風暴來臨時，地球上所有的生命形式都會被烤干，地球大氣層也將會逐漸消失。

幾十年來，科學家們一直在努力探索地球磁場和磁性的秘密。有一個普遍認可的共識：地心外核流動鐵水的導熱性產生磁場。然而，近幾年科學家對地球磁場的研究有了更多新的發現。2012年時有科學家提出，如今地心中的流動鐵液的導熱性比之前所認為的更強，這意味著早期地球即使有磁場存在，磁力也很弱，但令人困惑的是，古代巖石上的磁極變化記錄顯示，強大的磁場已經保護了地球幾十億年。

地心中的熱傳導與熱對流

那么，這到底是怎么回事呢？2015年1月，超級計算機模擬提供了一個可能的答案。計算機模擬地心中極端溫度和極端壓力環境中電子圍繞鐵原子活動的情況顯示，早期地球地心中鐵的熱傳導率極低，足以產生一個強大的磁場，當時，研究人員認為地心神秘之謎可能已經得到解決。但之后研究人員模擬地球地心極端環境的實驗讓人們懷疑，雖然離真正的答案更近了一些，但地心之謎真的那么容易得到解決嗎？

我們知道，熱對流就像平時燒水，先是下面的水受熱，然后升上去，上面涼的水就會降下來然后受熱。熱對流一般是發生在氣體和液體中的，受熱的氣體或液體會帶著熱量升上去，涼的氣體或液體會下沉，受熱后繼續升上去，上去后丟失了熱量又會降下來。這樣反復循環，就是對流。熱傳導是發生在固體中的，重要的是兩個固體要接觸，然后熱量會通過兩個物體分子的接觸從高熱量的物體傳到低熱量的物體，直到它們的溫度相等。

地心中的地核就像一個巨大的熱力發動機，宇宙中星體物質大碰撞時期遺留下來的能量為它提供了大量的“燃料”，隨著地球逐漸冷卻，內核逐漸凝固，但外層的原始能量仍然圍繞著凝結成固體的內核運動著。一些熱能通過熱傳導作用在原子間傳導，但當熱能超過了內熱傳導作用的極限時，較熱的部分就會像熱氣球中的熱空氣一樣上升，較冷的部分向下沉降，形成熱對流，隨著對流作用開始形成，地核物質也開始運動起來。

熱對流使得外核融化的鐵水像漩渦一樣旋轉起來，不斷旋轉的熾熱液體起著巨大發電機的作用，維持和強化著原有的磁場。如果更多的熱量是通過熱傳導作用，而不是通過熱對流作用來傳播，這個“發電機”的運動就會減弱，磁場也會變弱。

5年前，科學家認為地心外核中鐵液的熱量大部分是通過熱對流作用傳輸的;但2012年多個研究小組分別發現并提出，更多熱量是通過熱傳導作用在地核中傳輸，地核中的熱對流則相對較弱，如果是這樣，是否意味著地球磁場會有麻煩呢？

美國華盛頓卡內基科學研究所地球物理學家彼得·德里斯科爾說：“這是一個令人震驚的結論。”對于熱對流作用驅動強大地球磁場的理論，人們開始產生了疑問。

地球磁場活動的實驗與理論

研究發現，驅動現代地球地核運動的并不僅僅是熱對流，在早期地球漸漸冷卻的過程中，地心中的鐵開始由內而外凝固起來，這個過程還在繼續之中，目前固體內核向外增長的速度高達每秒6000噸。較輕的元素，如氧和硫，混合在固化的鐵中被擠壓進入地心外核，向外的推力導致地心外核劇烈攪動，維持著地磁“發電機”的持續運行。到目前為止，地核的凝固部分只占4%，還有大量能量可繼續維持磁場運轉數十億年。

地球磁場的未來我們還不需要擔心，但地球磁場的過去依然還是一個撲朔迷離的謎。2012年對地球地核的熱傳導率估計表明，地核只是在過去10億年里才開始凝固，在此之前，地核中緩慢的熱對流只能產生一個弱磁場。

然而，巖石記錄顯示的卻似乎與我們推斷的不一樣。2015年7月，美國紐約羅切斯特大學地球物理學家約翰·塔都諾和他的同事在《科學》雜志上發表文章提出了最古老地球磁場記錄的證據。通過測量嵌入古代晶體中的磁性雜質，研究人員證明，42億到33億年前，地球已經形成了一個比較強大的磁場，變化幅度相當于如今地球磁場的約12 %～100%。

從那時開始的地球磁場早期變化的歷史也同樣令人困惑。地球物理學家推測，當較輕的物質離開內核，以一種新的方式“攪拌”這個巨大的磁力發動機時，磁場強度會突然增加，“為磁場提供了一個新的動力。”美國約翰霍普金斯大學地球物理學家彼得·奧爾森在2013年《科學》雜志上發明的一篇論文中，對這種難以捉摸的現象稱為“新的地核悖論”，即地球磁場的主流理論和地磁變化歷史留下的記錄無法吻合。

然而，導致這一悖論的觀點也并非是最后定論。地心溫度可達6000℃，壓強是海平面大氣壓強的300萬倍以上，人們無法真正進入地心一游，根本沒有直接測量和收集數據的辦法。目前科學家還無法在實驗室里精確模擬地心的極端環境，測量出準確的熱傳導率。事實上，科學家在實驗室里模擬實驗的溫度通常都低于1700℃，目前只能根據差強人意的模擬條件來推斷地心中發生的一切。

因此，這種推斷可能會產生模棱兩可的結果，因為它假定的是，實驗溫度和地心實際溫度之間的差異，不會明顯改變地心中熔巖的行為方式，但這只是一種可能的設想。2015年早些時候，研究人員提出，對熱傳導率估計過高，可能是忽略掉了實驗條件下相對較低溫度與地心中實際上的惡劣溫度環境之間的差異導致的某些東西，而這被忽略掉的某種東西有可能是解決新產生的地心悖論的關鍵。

要了解鐵熔液的熱傳導率，就需要深入了解電子是如何繞著鐵原子旋轉運動的。在鐵這樣的金屬里，是通過自由移動的電子傳輸電荷和熱能，鐵的導電性能和傳熱性能取決于這些電子的傳輸能力。

在地球表面的溫度和壓力條件下，抵抗電子移動的阻力被認為來自鐵原子本身。電子與振動的鐵原子相撞，限制了電能和熱能的傳輸。然而，地核中的鐵熔巖的行為卻非常的不同，在地核中鐵熔液受的擠壓力是正常密度的1.6倍，而大量的熱能也極大地提高了電子運動的速度。

磁場是地球的強大保護神

2015年7月，研究人員對古老巖石的分析表明，強磁場保護地球至少已有42億年的歷史了，在地球歷史上磁場一直是地球強大的保護神。

美國卡內基科學研究所地球物理學家羅納德·科恩和他的同事對地核中的鐵的行為進行了數字模擬，他們不是試圖在實驗室里進行復制地核中的極端條件的實驗，而是通過數字模擬準確跟蹤每個電子的活動。

科恩團隊的模擬從處于地心溫度和壓力條件下的數百個鐵原子開始，電腦程序對每個鐵原子和電子施加壓力，推動每個粒子一點一點向前移動，一遍又一遍地重復這一過程，直到通過這些“快照”創建出一個電子移動的視頻。對龐大數量的粒子活動進行模擬，以及對它們之間錯綜復雜的關系進行計算是一項非常耗時耗力的工作，即使是通過超級計算機，也無法得到確切的熱傳導率，研究人員只能通過一次又一次的重復實驗，盡可能降低程序對鐵的熱傳導率計算的不確定性。

在達到之前實驗室的實驗溫度時，科恩團隊的計算機模擬結果與之前1700℃溫度時預測的鐵的熱傳導率相一致。而在超過這個溫度時，一個之前完全被忽略了的交互作用開始出現，他們發現，除了鐵原子振動時的電子散射之外，熱能激發的電子活動也更加頻繁，并開始相互碰撞。在地心環境中，這種電子間碰撞的作用，與電子與鐵原子的碰撞同樣重要，并在實際上導致受到的阻力翻了一番，使得熱傳導率降到只有2012年估計的約一半。

這個新得出的較低的熱傳導率估計值，是否可以幫助解決近年來令人困惑的矛盾和問題呢？多名地球物理學家對此持謹慎樂觀的態度，不管怎么說，新的熱傳導率估計仍然只是一種理論，它需要實驗結果來證實更高溫度下電子與電子間的碰撞活動。但到目前為止，這仍然是很難實際進行的一種實驗。

美國德里斯科爾提出，新產生的地核悖論也并非不可破解，來自地心內核的大量熱量流足以產生維持磁場的對流。他認為，額外的熱量可能來自放射性元素的衰變。據研究人員推測，地核中可能含有大量的放射性鈾和釷。據德里斯科爾計算，現代地核中相對少量的放射性物質也足以轉化為古代磁場的巨大推動力。如果說如今只有少量的放射性物質給地核提供熱量，這意味著幾十億年前，地心中曾有著大量的放射性原子驅動著熱量的傳輸。

地球表面以下數千米的地核中到底發生了些什么，科學家仍在探索和爭議之中。這是一個值得探討的問題，激勵著人們去探索地核和地球磁場的真相。