撥開地球磁極倒轉(zhuǎn)迷霧
來源：中國(guó)礦業(yè)網(wǎng)
關(guān)于地球磁極要倒轉(zhuǎn)的言論近來流行于網(wǎng)絡(luò)和民間，引起了許多猜測(cè)甚至末日的流言。究其原因，正是公眾對(duì)地球磁場(chǎng)基本常識(shí)的缺乏所致，那么，地球磁場(chǎng)磁極為何倒轉(zhuǎn)？倒轉(zhuǎn)將有著怎樣的影響，請(qǐng)跟隨我國(guó)古地磁學(xué)家潘永信教授的解讀，一起來了解地球磁極倒轉(zhuǎn)的奧妙。
遠(yuǎn)古時(shí)磁極常倒轉(zhuǎn)
地球的年齡大約46億年，在如此漫長(zhǎng)的時(shí)間里，曾發(fā)生過頻繁的地磁極倒轉(zhuǎn)，即地磁南極和地磁北極換位。在古地磁學(xué)研究中，為描述方便起見，將古磁極與現(xiàn)今磁極位置一致時(shí)稱之為正極性，相反時(shí)稱之為負(fù)極性或反極性。
地球磁極倒轉(zhuǎn)是科學(xué)家在上世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)的，是上世紀(jì)最重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。根據(jù)古地磁學(xué)的研究，這樣的磁極性倒轉(zhuǎn)是以幾十萬年為尺度發(fā)生的，距今最近的磁極倒轉(zhuǎn)發(fā)生在78萬年前，在它之前的兩次倒轉(zhuǎn)分別為距今99萬年前和107萬年前。
也就是說，地磁每次發(fā)生倒轉(zhuǎn)的時(shí)間間隔不固定，沒有時(shí)間上的規(guī)律性。通過對(duì)過去1.6億年地球磁場(chǎng)變化的研究證實(shí)，每百萬年磁極有2次至6次的倒轉(zhuǎn)，但間隔不等。值得一提的是，距今1.2億年前至8000萬年的白堊紀(jì)中近4000萬年漫長(zhǎng)的時(shí)間，磁極并沒有發(fā)生倒轉(zhuǎn)。但在過去78萬年中，曾發(fā)生過一些沒有成功的地磁極倒轉(zhuǎn)。
對(duì)于歷史上磁場(chǎng)變化情況是如何測(cè)出來的，潘永信指出，幾十億年的磁場(chǎng)變化，可以通過測(cè)量不同時(shí)期地層巖石的磁性記錄來確定。距今數(shù)千年的磁場(chǎng)還能通過考古材料如燒制陶瓷等來研究，因?yàn)榇艌?chǎng)變化在巖石或陶片中會(huì)留有痕跡。
打個(gè)比喻，如果說地磁場(chǎng)變化是在“歌唱”的話，那么巖石就如同天然的“錄音機(jī)和磁帶”，古地磁學(xué)的測(cè)量設(shè)備可相當(dāng)于“播放機(jī)”。
地磁場(chǎng)是地球之“盾”
地球磁場(chǎng)是地球的重要物理場(chǎng)和環(huán)境因素之一。通過研究地磁場(chǎng)的變化，科學(xué)家們就能知道地球外核的變化。另外，從太空看磁層結(jié)構(gòu)，地磁場(chǎng)包圍著整個(gè)地球，就像一把巨傘，保護(hù)著地球上的生物免受宇宙射線輻射的傷害，起到“盾”的作用，將大部分太陽(yáng)風(fēng)高能粒子阻擋在地球之外。地磁場(chǎng)還有一個(gè)重要作用就是導(dǎo)航，人類用指南針導(dǎo)航，航海、探索新區(qū)域；動(dòng)物利用地磁場(chǎng)自導(dǎo)航，如大家熟悉的鴿子回家、魚類洄游等。基于這一點(diǎn)，人類也可以進(jìn)行磁導(dǎo)航的仿生研究，在GPS、雷達(dá)等不能應(yīng)用時(shí)，利用無處不在的地磁場(chǎng)來導(dǎo)航。
地球磁場(chǎng)磁極為什么會(huì)發(fā)生不定期的倒轉(zhuǎn)？潘永信表示，這是當(dāng)今科學(xué)界的難題，尚在研究中。最主要的困難是地核在2900千米以下，是深不可及的。
可以這樣簡(jiǎn)單來理解，地磁場(chǎng)產(chǎn)生于地球內(nèi)部圈層中外核的“發(fā)電機(jī)”——組成外核的導(dǎo)電液態(tài)鐵的對(duì)流產(chǎn)生了地磁場(chǎng)。而外核之內(nèi)的內(nèi)核是固態(tài)的，它在不斷生長(zhǎng)，向外放熱；外核的外面是地幔，地幔中也有速度相對(duì)慢得多的對(duì)流，還有超級(jí)地幔柱和深俯沖的板片。
這樣，可以看到在外核中有兩種主要驅(qū)動(dòng)力維持外核的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，一是熱驅(qū)動(dòng)，二是化學(xué)驅(qū)動(dòng)。前者就像開水沸騰，熱物質(zhì)上升，冷物質(zhì)下降；后者則是地球物質(zhì)分異，重物質(zhì)下降，而輕物質(zhì)上升，這樣就產(chǎn)生了對(duì)流。在這兩種變化基礎(chǔ)上，核幔相互作用和下地幔結(jié)構(gòu)的變化更是“推波助瀾”，其中最重要的就是源于地幔底部一直延伸到地表的超級(jí)地幔柱和巖石圈向地幔深處的俯沖。剛才講的外核散熱，其中途徑之一就是通過地幔柱傳輸、吸收、釋放熱量，這種冷、熱傳導(dǎo)及化學(xué)變化的程度、快慢直接影響了外核“發(fā)電機(jī)”的狀態(tài)，進(jìn)而影響地磁場(chǎng)變化，包括地磁極倒轉(zhuǎn)的發(fā)生。
近百年來強(qiáng)度減弱屬正常波動(dòng)
潘永信表示，在地球磁場(chǎng)極性發(fā)生倒轉(zhuǎn)前直至新的磁極穩(wěn)定之前，地磁場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)衰減，可以減弱到正常值的20%，但只是減弱，不會(huì)消失。
78萬年前那次倒轉(zhuǎn)是從原先的負(fù)極性變?yōu)檎龢O性，它的過程持續(xù)了7000年左右的時(shí)間。根據(jù)古地磁學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，這幾千年間，南北磁極發(fā)生了多次變換。就是說，多次的快速倒轉(zhuǎn)，磁南極變成磁北極后沒“挺住”，又變回來了，之后又轉(zhuǎn)換為磁南極，這樣就呈現(xiàn)出了不穩(wěn)定的狀態(tài)，但最終還是完成了南北磁極互換，形成了今天的地磁場(chǎng)。
磁極倒轉(zhuǎn)對(duì)地球產(chǎn)生什么影響？
地磁場(chǎng)起到一個(gè)“盾”的作用，保護(hù)地球生物和大氣層，那么如果磁極倒轉(zhuǎn)并伴有磁強(qiáng)度減弱的話，對(duì)太陽(yáng)風(fēng)粒子的抵擋、屏蔽作用會(huì)降低，就會(huì)有更多的高能帶電粒子進(jìn)入地球大氣，到達(dá)地表。這對(duì)現(xiàn)代社會(huì)來說，最直接的影響就是強(qiáng)烈地沖擊電離層，可能引起電離層暴，對(duì)無線電通信、在軌衛(wèi)星、航天設(shè)備造成損害。
對(duì)地球生物最直接的影響就是靠磁導(dǎo)航的生物會(huì)迷失方向，如鴿子迷失方向等，也可能會(huì)引起一些生物生命活動(dòng)中生理紊亂。地磁極倒轉(zhuǎn)也可能對(duì)氣候產(chǎn)生影響，78萬年前那次倒轉(zhuǎn)對(duì)地球生物和大氣的影響值得深入研究。但人類的歷史太短，如北京猿人距今才五六十萬年，還沒有經(jīng)歷過地磁極倒轉(zhuǎn)，也就沒有這方面的直接觀測(cè)記錄。
既然磁極倒轉(zhuǎn)是與地球內(nèi)部能量交換及物質(zhì)對(duì)流有關(guān)，并通過超級(jí)地幔柱直接延伸至地殼，那么，發(fā)生磁極倒轉(zhuǎn)是否會(huì)同時(shí)引起地質(zhì)構(gòu)造如火山、地震的強(qiáng)烈變動(dòng)？
潘永信表示，地磁極倒轉(zhuǎn)與地表地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)沒有簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從地球整體和長(zhǎng)周期活動(dòng)看，地磁極倒轉(zhuǎn)與超級(jí)地幔柱活動(dòng)和板塊深俯沖可能有內(nèi)在的聯(lián)系，在地表會(huì)以構(gòu)造或火山活動(dòng)形式表現(xiàn)。但可以肯定，不是地磁極倒轉(zhuǎn)直接引起地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、火山活動(dòng)和地震，而是地球深部活動(dòng)最終導(dǎo)致了火山、地震等近地表劇烈變動(dòng)。
對(duì)于有報(bào)道說目前地磁強(qiáng)度在減弱，這是否意味著磁極有可能發(fā)生倒轉(zhuǎn)？潘永信表示，不能簡(jiǎn)單地下這樣的結(jié)論?？茖W(xué)家們前些年對(duì)這個(gè)問題展開過討論。根據(jù)研究，地磁場(chǎng)的強(qiáng)度經(jīng)常處于變化之中，呈波動(dòng)狀態(tài)。近百年來，地球磁場(chǎng)強(qiáng)度確實(shí)呈現(xiàn)減弱的趨勢(shì)，但如果放在萬年時(shí)間尺度上，這種減弱已多次出現(xiàn)，而且這次降低是從比正常值高的情況下往下降的，所以這次強(qiáng)度降低不能理解成是地磁極將要倒轉(zhuǎn)的證據(jù)。換句話說，磁極倒轉(zhuǎn)一定伴隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的減弱，但磁場(chǎng)強(qiáng)度的減弱不一定意味將要倒轉(zhuǎn)。而且目前磁場(chǎng)的強(qiáng)度與歷史上的低值比較的話，還要高出很多，屬于正常波動(dòng)。
潘永信說，目前，已經(jīng)有了地磁衛(wèi)星和覆蓋全球的地磁觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)，能時(shí)刻記錄地磁場(chǎng)變化，科學(xué)家也已經(jīng)開始了地磁場(chǎng)變化的預(yù)測(cè)研究，如果出現(xiàn)大的異常，會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)措施的。
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