地磁減弱的那些事兒

圖一地球的磁場向太空綿延約58000千米。導(dǎo)電的地核就好比是一個(gè)巨大的電磁鐵，地球磁場就是它在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的。

圖二由3顆衛(wèi)星組成的“蜂群”衛(wèi)星群產(chǎn)生的第一組高分辨率結(jié)果顯示，地球磁場正變得越來越弱，但變?nèi)跛胶艿汀?/p>

被稱為“地球保護(hù)膜”的地球磁場在150年中減弱了近10%，甚至在一些地方出現(xiàn)了“漏洞”，這些變化預(yù)示著什么，地磁會(huì)不會(huì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)……

在丹麥哥本哈根舉行的第三屆“蜂群”科學(xué)會(huì)議上，歐洲航天局報(bào)告，由3顆衛(wèi)星組成的“蜂群”衛(wèi)星群產(chǎn)生的第一組高分辨率結(jié)果顯示，地球磁場正變得越來越弱，但變?nèi)跛胶艿汀?/p>

蜂群衛(wèi)星群2013年11月發(fā)射升空，為科學(xué)家了解地球磁場的復(fù)雜運(yùn)作提供了空前的信息。這些數(shù)據(jù)將幫助科學(xué)家更好地了解地球磁場是如何運(yùn)作的、太陽活動(dòng)對它產(chǎn)生怎樣的影響以及大片地球磁場正在變?nèi)醯脑颉?/p>

在接下來幾個(gè)月內(nèi)，科學(xué)家會(huì)分析這些數(shù)據(jù)，根據(jù)地幔、地殼、海洋、電離層和磁氣圈等來源了解磁場作用。這會(huì)為科學(xué)家了解從發(fā)生在地球深處的事件到太陽活動(dòng)引發(fā)的太空天氣等許多自然過程提供新線索。

巨大的“氣泡”

地球表面的保護(hù)膜

地球的磁場向太空綿延約58000千米。導(dǎo)電的地核就好比是一個(gè)巨大的電磁鐵，地球磁場就是它
在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的。由于地核的體積極大，溫度和壓力又相對較高，使地層的導(dǎo)電率極高，使得電流就如同存在于沒有電阻的線圈中，可以永不消失地在其中流
動(dòng)，這使地球形成了一個(gè)磁場強(qiáng)度較穩(wěn)定的南北磁極。

但是，電子的分布位置并不是固定不變的，并會(huì)因許多的因素影響下會(huì)發(fā)生變化，再加上太陽和月亮的引力作用，地核的自轉(zhuǎn)與地殼和地幔并不同步，這會(huì)產(chǎn)生一強(qiáng)大的交變電磁場，地球磁場的南北磁極因而發(fā)生一種低速運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)的積累將造成地球的南北磁極逆轉(zhuǎn)。

磁場形成了一個(gè)淚珠形狀的氣泡保護(hù)在地球表面，從而對地球上的生物形成保護(hù)膜，保護(hù)人類免遭連續(xù)轟擊地球的宇宙射線和帶電粒子的傷害。

如果地球磁場發(fā)生變化，同時(shí)受到傷害的還有圍繞地球旋轉(zhuǎn)的成千上萬顆衛(wèi)星和其他航空器，失去地球磁場的保護(hù)，它們將赤裸裸地受到外太空高能量輻射的侵害，從而變得非常脆弱。

變化！

150年里，地球磁場減弱了近10%

通過蜂群衛(wèi)星過去6個(gè)月獲得的測量結(jié)果證實(shí)地球磁場變?nèi)醯目傏厔荩瑫r(shí)顯示西半球磁場減弱最為明顯。

在印度洋南部等一些地區(qū)，磁場從1月以來持續(xù)增強(qiáng)，但地球磁場的總趨勢是在變?nèi)?。此外，最新測量值還確認(rèn)磁場向北朝西伯利亞方向運(yùn)動(dòng)的事實(shí)。這些變化以源自地核的磁場信號(hào)為基礎(chǔ)。有數(shù)據(jù)顯示，在過去的150年里，地球的磁場已經(jīng)減弱了近10%。

另外通過對1980年到2000年的地球磁場研究發(fā)現(xiàn)，地球磁場存在很大的地理差異：在亞洲、太平洋地區(qū)磁場變化較小，非洲、歐洲和大西洋的變化非常大，變化最大的地區(qū)是非洲南端，在這個(gè)地區(qū)的磁場極性與正常的極性剛好相反。

大西洋南部磁場特別虛弱

在歐洲航天局的觀測中，大西洋南部磁場顯得特別虛弱，這里被稱為南大西洋磁場異常區(qū)。早在6年
前，就有研究指出這一地區(qū)的磁場僅為一般磁場的三分之一，這意味著地球的磁場保護(hù)在該地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了凹陷。而南大西洋上空的衛(wèi)星暴露在強(qiáng)輻射中時(shí)，地球磁
場的這種異常就會(huì)給它們造成一些小故障或“小難題”。

對于南大西洋的磁場異常，科學(xué)家分析，南大西洋和北冰洋下方的液體金屬地核可能出現(xiàn)了巨型渦流，從而影響了其上空的磁場。由于巨型渦流的力量足以逆轉(zhuǎn)其他渦流的方向，因此極有可能令地磁場南北極就此開始大逆轉(zhuǎn)。

與氣候變暖或有關(guān)聯(lián)

2011年，吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院楊學(xué)祥教授等人發(fā)表的科研論文稱，地磁減弱的原因
在于兩極冰蓋融化導(dǎo)致地殼和地幔轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減少自轉(zhuǎn)加快，由此引發(fā)核幔差異旋轉(zhuǎn)在數(shù)值和方向上的改變。在磁場減弱和磁極反向過程中，太陽輻射的增強(qiáng)和核幔熱
能的釋放與災(zāi)害有一一對應(yīng)關(guān)系。

地球歷史表明，強(qiáng)地磁場對應(yīng)地球的寒冷氣候，如第四紀(jì)冰期；弱地磁場對應(yīng)高溫氣候，如中生代的溫暖期。地磁場減弱也是全球變暖的原因之一：地磁場減弱導(dǎo)致更多太陽能量進(jìn)入地球。

2013年，來自日本的一項(xiàng)研究也印證了這個(gè)觀點(diǎn)。日本海洋研究開發(fā)機(jī)構(gòu)的研究小組發(fā)現(xiàn)，冰蓋
大小出現(xiàn)變化后，地球自轉(zhuǎn)速度就會(huì)受到影響。為了調(diào)查地球自轉(zhuǎn)速度變化與地球磁場變化的關(guān)系，研究小組利用計(jì)算機(jī)模型推算發(fā)現(xiàn)，地球磁場強(qiáng)度會(huì)隨地球自轉(zhuǎn)
速度的變化而變化。即使自轉(zhuǎn)速度只有2%的變化，磁場強(qiáng)度的變化會(huì)達(dá)到20%至30%。

這一研究成果顯示，地球磁場會(huì)受到氣候變化的長期影響。研究人員認(rèn)為，由于全球氣候在變暖，冰蓋正在不斷減少，雖然規(guī)模還相當(dāng)小，但是地球的自轉(zhuǎn)速度和磁場強(qiáng)度有可能相應(yīng)出現(xiàn)變化。

逆轉(zhuǎn)？

地球磁性曾在78萬年以前逆轉(zhuǎn)

在地質(zhì)勘測中，研究火山巖和沉積物中的金屬粒子，能夠了解的遠(yuǎn)古時(shí)代的地球磁場，許多國家已經(jīng)從這類研究中查到了地磁逆轉(zhuǎn)的證據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，磁場在最近600萬年間發(fā)生了三次翻轉(zhuǎn)，而這三次的間隔時(shí)間不等。

有研究顯示，最近一次引起磁場巨大變化的是在78萬年以前磁性逆轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的。當(dāng)南北磁性倒轉(zhuǎn)后，確立新的磁極需要一段時(shí)間，而磁性也將經(jīng)過很長的一段時(shí)間才能恢復(fù)，因此地球的磁場就會(huì)相應(yīng)地減弱。

地磁減弱預(yù)示下一次逆轉(zhuǎn)即將發(fā)生？

地磁逆轉(zhuǎn)是在很長的時(shí)間尺度上發(fā)生的，發(fā)生逆轉(zhuǎn)前，磁力會(huì)急劇減弱，甚至出現(xiàn)零磁場，就是說磁場衰減是翻轉(zhuǎn)過程中的一種現(xiàn)象。近年來的一些研究表明，下一次磁性逆轉(zhuǎn)即將發(fā)生。

我國從事地球動(dòng)力學(xué)和自然災(zāi)害研究的學(xué)者曾在接受媒體采訪時(shí)指出，目前有些地區(qū)地磁場的強(qiáng)度確實(shí)有下降的趨勢，但是否意味著磁場的強(qiáng)度還會(huì)持續(xù)降低，是否意味著地磁將要在未來千百年的尺度內(nèi)翻轉(zhuǎn)，科學(xué)家還存在爭議，需要繼續(xù)觀測和深入研究。

延伸閱讀

太陽每隔11年完成一次磁極倒轉(zhuǎn)

每隔11年，太陽就會(huì)經(jīng)歷一次完全的磁極倒轉(zhuǎn)，此時(shí)太陽的南北磁極就會(huì)顛倒過來。這一過程將會(huì)對整個(gè)太陽系產(chǎn)生影響。

盡管目前我們還無法理解這一過程發(fā)生的內(nèi)部機(jī)制，但美國斯坦福大學(xué)維爾克斯太陽觀測臺(tái)的研究人員自從1975年以來一直堅(jiān)持每天對太陽磁場情況進(jìn)行記錄和監(jiān)視。自從觀測記錄開始以來，這將是四次記錄到太陽磁極倒轉(zhuǎn)事件。

每一個(gè)磁極倒轉(zhuǎn)的開端都可以從太陽黑子的行為上體現(xiàn)出來。太陽黑子是太陽表面的強(qiáng)磁場區(qū)，當(dāng)一個(gè)磁極倒轉(zhuǎn)周期開端之時(shí)，黑子會(huì)在接近太陽赤道的區(qū)域出現(xiàn)。在大約1個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，這些太陽黑子會(huì)逐漸解體并從赤道向兩極移動(dòng)。

托德·何塞馬(Todd Hoeksema)自從1978年以來便一直在斯坦福工作，現(xiàn)在是維
爾克斯太陽觀測臺(tái)的臺(tái)長。他指出，當(dāng)這些帶有新磁極特征的黑子抵達(dá)極區(qū)，它就會(huì)抵消原有的磁場極性。此時(shí)太陽的磁場逐漸趨向于消失，隨后再次反彈增強(qiáng)，并
完成一次太陽磁極反轉(zhuǎn)過程。何塞馬表示：“這就有點(diǎn)像是大海中的潮起潮落。每一次小的潮頭都會(huì)帶來更多的水量，但最后全都會(huì)退去?！?/p>

太陽發(fā)生磁極倒轉(zhuǎn)產(chǎn)生的影響是深遠(yuǎn)的：太陽磁場影響的空間范圍構(gòu)成一個(gè)巨大的氣泡狀結(jié)構(gòu)，被稱
作“日球?qū)印?，其延伸一直要到冥王星軌道之外，目前美國宇航局的旅行者?hào)飛船剛剛通過這一太陽系邊緣區(qū)域。另外，太陽活動(dòng)的高峰期一般同樣發(fā)生在其發(fā)生磁
極轉(zhuǎn)變的時(shí)期，在此期間除了黑子數(shù)量增加之外，太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射(CME)同樣是非常頻繁的。

當(dāng)然，太陽磁極的轉(zhuǎn)變以及太陽帶電粒子的爆發(fā)對于地球也會(huì)產(chǎn)生影響。當(dāng)大量來自太陽的帶電粒子
轟擊地球高層大氣時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)美麗的極光現(xiàn)象。太陽活動(dòng)的強(qiáng)弱也將對地球上的供電網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星以及GPS定位系統(tǒng)等產(chǎn)生不同程度的影響。為此，科學(xué)家們必須
不間斷地對太陽活動(dòng)和空間天氣狀況開展連續(xù)監(jiān)視。何塞馬表示：“我們也會(huì)考察這一事件對其他行星產(chǎn)生的影響。木星上會(huì)出現(xiàn)風(fēng)暴，土星上出現(xiàn)極光，這些都會(huì)
受到太陽活動(dòng)的影響?！?/p>