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下一次地磁倒轉(zhuǎn)什么時(shí)候來(lái)

新聞背景

近日，海峽兩岸科學(xué)家聯(lián)手在著名學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)科學(xué)院院刊》上發(fā)表了一篇論文，通過(guò)研究貴州三星洞內(nèi)的石筍，他們發(fā)現(xiàn)地磁的南、北極可快速倒轉(zhuǎn)，可能只需要一百多年。這可能會(huì)對(duì)地球生物圈、衛(wèi)星通訊設(shè)備等造成影響。

地磁倒轉(zhuǎn)的發(fā)現(xiàn)

在太陽(yáng)系中，地球是一個(gè)非常特別的星球，她表面有大量的液態(tài)水，有獨(dú)特板塊構(gòu)造，有地震、火山，更是有一個(gè)全球性的磁場(chǎng)。所謂全球性的磁場(chǎng)，就是說(shuō)整個(gè)地球的地磁場(chǎng)是一致的，所有地方磁極的指向都是相同的，有著共同的地磁南極和北極。不像火星，磁場(chǎng)是局部的，不同的地方磁極的指向不同。

由于地磁場(chǎng)的存在，從太陽(yáng)吹向地球的大量高能射線(太陽(yáng)風(fēng))在靠近地球的時(shí)候被扭曲轉(zhuǎn)向，阻止太陽(yáng)風(fēng)直接接觸電離層，使電離層不至于逸散。另一方面，在大氣層的頂部，有一些氣體分子會(huì)發(fā)生電離逃逸，比如氧離子和氫離子。而地磁場(chǎng)能夠把將要逃逸的離子重新送回電離層，維持大氣的穩(wěn)定。

雖然地磁場(chǎng)摸不著看不見(jiàn)，但是人類利用磁場(chǎng)的時(shí)間很早。在古代中國(guó)，就有利用司南和指南魚(yú)指示方向的記錄。但是，直到1600年，才由英國(guó)著名的物理學(xué)家吉爾伯特首次提出，地球本身就是一個(gè)巨大的磁鐵，有兩個(gè)磁極，指南針的工作原理就是磁鐵之間的吸引，并且正確指出地球內(nèi)部有一個(gè)鐵的內(nèi)核。不過(guò)，在隨后的數(shù)百年里，人們一直認(rèn)為，地磁場(chǎng)，至少地磁的方向，是不變的，指南針指示的南北方向是恒定的。但后來(lái)發(fā)現(xiàn)，地磁場(chǎng)是非常不穩(wěn)定的，不管是方向還是強(qiáng)度。

和其他重大的地質(zhì)學(xué)發(fā)現(xiàn)一樣，人類對(duì)地磁倒轉(zhuǎn)最初的認(rèn)識(shí)來(lái)源于對(duì)巖石的研究。在地球的巖石中，或多或少都會(huì)含有一部分的鐵。在巖漿巖中，當(dāng)高于某一特定溫度時(shí)，里面磁性元素鐵的磁場(chǎng)會(huì)在地磁的作用下定向排列；當(dāng)冷卻低于這一溫度時(shí)，巖石就不再受地磁的影響，從而記錄下當(dāng)時(shí)地磁場(chǎng)的方向。物質(zhì)的這一特性是著名的物理學(xué)家居里夫人最先發(fā)現(xiàn)的，后來(lái)人們就把這一特定的溫度稱為居里點(diǎn)，不同物質(zhì)的居里點(diǎn)并不相同。在沉積巖中，其中的鐵在沉積的過(guò)程中，受地磁場(chǎng)作用也會(huì)發(fā)生重排，從而記錄下當(dāng)時(shí)的地磁場(chǎng)方向。

在1906年，法國(guó)地球物理學(xué)家布容在研究法國(guó)中南部火山區(qū)熔巖及其下面的黏土沉積物的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)巖石記錄的磁極和現(xiàn)在的地磁極是相反的，從而推測(cè)地球的磁場(chǎng)可能發(fā)生過(guò)倒轉(zhuǎn)。在上世紀(jì)20年代，日本地質(zhì)學(xué)家松山對(duì)日本、朝鮮和中國(guó)東北的玄武巖進(jìn)行了大規(guī)模的磁性調(diào)查，系統(tǒng)地研究了地磁倒轉(zhuǎn)的問(wèn)題。但這些研究在當(dāng)時(shí)并未引起足夠的重視。

直到上世紀(jì)50年代，隨著地質(zhì)年代學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家才逐漸意識(shí)到地磁倒轉(zhuǎn)是一個(gè)全球性的問(wèn)題，并開(kāi)始著手運(yùn)用地磁學(xué)解決諸多地質(zhì)學(xué)的問(wèn)題。比如，在大洋底的玄武巖中發(fā)現(xiàn)了對(duì)稱的磁異常條帶，這是因?yàn)閺牡厍蛏钐幉粩嗌嫌康膸r漿向兩側(cè)擴(kuò)展，記錄下了當(dāng)時(shí)的古地磁方向，這種條帶成為海底擴(kuò)張的直接證據(jù)。時(shí)至今日，地層記錄的古地磁方向，仍舊是地質(zhì)學(xué)家恢復(fù)板塊在歷史時(shí)期的位置以及漂移軌跡的最有力證據(jù)。

未解之謎——地磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)

地磁學(xué)的研究在解釋地球構(gòu)造方面取得了巨大的成功，但是地磁場(chǎng)為什么會(huì)倒轉(zhuǎn)？到目前為止，這個(gè)問(wèn)題并沒(méi)有一個(gè)讓人滿意的答案。在2005年，美國(guó)著名雜志《科學(xué)》在創(chuàng)刊125年之際，向全世界各領(lǐng)域的頂尖科學(xué)家征詢意見(jiàn)，提出來(lái)125個(gè)重要科學(xué)問(wèn)題，地磁倒轉(zhuǎn)之謎即為其中之一。

在過(guò)去的8300萬(wàn)年中，地磁場(chǎng)共倒轉(zhuǎn)了183次，而且沒(méi)有明顯的規(guī)律，有時(shí)候100萬(wàn)年可以倒轉(zhuǎn)五六次，有時(shí)候可能只有一次。在恐龍繁盛的白堊紀(jì)(侏羅紀(jì)后)，地磁場(chǎng)穩(wěn)定了4000萬(wàn)年沒(méi)有發(fā)生倒轉(zhuǎn)，這段時(shí)間地磁場(chǎng)的方向和今天是一樣的，是迄今為止地層記錄中持續(xù)最長(zhǎng)的地磁穩(wěn)定期。最近的一次倒轉(zhuǎn)發(fā)生在78萬(wàn)年以前，并保持至今。

地磁場(chǎng)的產(chǎn)生以及倒轉(zhuǎn)可能和地核的狀態(tài)以及運(yùn)動(dòng)有關(guān)。地核的深度為2900公里，又可以分為外殼和內(nèi)核，其中外核為液體，內(nèi)核為固態(tài)。地核的主要組成為鐵和鎳，另外還有硅、硫等元素，溫度在5000攝氏度以上?，F(xiàn)在一種比較流行的觀點(diǎn)認(rèn)為，地磁場(chǎng)起源于地核的運(yùn)動(dòng)。由于地核極度的高溫和液態(tài)的存在形式，外核物質(zhì)與熱量的對(duì)流十分普遍。我們知道，鐵是一種磁性金屬，其對(duì)流可以造成磁場(chǎng)與電流的相互激發(fā)，形成穩(wěn)定的全球性磁場(chǎng)。這被稱為地球發(fā)電機(jī)模型。

雖然地磁場(chǎng)產(chǎn)生的具體原因尚有待進(jìn)一步研究，但比較確定的是肯定和液態(tài)的地核有關(guān)。和地球十分類似的月球和火星，由于體積較小、冷卻快，地核已完全固化，因而沒(méi)有全球性的磁場(chǎng)存在。

實(shí)驗(yàn)室理論模擬結(jié)果表明，地核的運(yùn)動(dòng)是不規(guī)律的，產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)隨機(jī)轉(zhuǎn)向。但是，這種實(shí)驗(yàn)室的模擬結(jié)果，是否適用于自然狀態(tài)，仍有待驗(yàn)證。

我們現(xiàn)在處于下一次地磁倒轉(zhuǎn)的關(guān)口嗎？

很久之前就有人預(yù)言，現(xiàn)在地磁場(chǎng)正在減弱，我們也許處在地磁倒轉(zhuǎn)的關(guān)口。

地球磁極的變動(dòng)，并不是一瞬間的事情，一般會(huì)持續(xù)數(shù)千年或數(shù)百年的時(shí)間。本次海峽兩岸科學(xué)家的研究結(jié)果甚至說(shuō)明，地磁場(chǎng)可以在一百多年的時(shí)間內(nèi)完全轉(zhuǎn)向。根據(jù)對(duì)地球上歷次古地磁倒轉(zhuǎn)的研究結(jié)果，在地磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)期間，會(huì)有兩種現(xiàn)象，一個(gè)是地磁極的快速移動(dòng)，另一個(gè)是地磁場(chǎng)強(qiáng)度的減弱。

前面我們提到，在古代，地磁場(chǎng)就已經(jīng)被用來(lái)指示方向，但是地理的北方和指南針指示的北方并不是重合的，二者有一個(gè)夾角，稱為磁偏角，地球上不同位置的磁偏角并不相同。早在宋代，沈括在《夢(mèng)溪筆談》中就記載了磁偏角的存在。而且，地磁的北極在也在不斷的變化，在20世紀(jì)伊始，地磁的北極點(diǎn)位于加拿大北部列島，現(xiàn)在已經(jīng)移動(dòng)到了地理北極點(diǎn)附近，正朝著俄羅斯西伯利亞方向運(yùn)動(dòng)，100余年間向北移動(dòng)了15°(緯度)還要多。不僅如此，移動(dòng)的速度還不一樣，近30年來(lái)有加速的趨勢(shì)。但相對(duì)應(yīng)的地磁南極變化就比較小，雖然也在靠近地理的南極，但移動(dòng)了不足5°。在地磁倒轉(zhuǎn)期間，磁極可能會(huì)移動(dòng)到中低緯度地區(qū)，比如處于中國(guó)境內(nèi)，甚至赤道附近。地磁極不斷移動(dòng)的結(jié)果，可能就是地磁極的倒轉(zhuǎn)。

不僅如此，現(xiàn)今地磁場(chǎng)的強(qiáng)度也在不斷減弱。自1932年德國(guó)著名數(shù)學(xué)家高斯第一次記錄地磁場(chǎng)強(qiáng)度以來(lái)，到目前磁場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)下降了大約10%。歷史上在地磁倒轉(zhuǎn)期間，地磁場(chǎng)的強(qiáng)度最大可能會(huì)下降到現(xiàn)在的5%左右。

歷史上各次地磁倒轉(zhuǎn)大都會(huì)伴隨地磁場(chǎng)強(qiáng)度下降，以及磁極的漂移，但這并不一定都會(huì)最終導(dǎo)致地磁倒轉(zhuǎn)，也可能只是地磁場(chǎng)正常的波動(dòng)。也許我們現(xiàn)在正處于新一次地磁倒轉(zhuǎn)的關(guān)口，也許不是。由于地磁場(chǎng)變化的極度不規(guī)律性，科學(xué)家并不能給出準(zhǔn)確的預(yù)言，目前只是有這種可能性，但要多久才能完全倒轉(zhuǎn)，并不確定。畢竟，這是至少幾十萬(wàn)年才會(huì)發(fā)生一次的事，并沒(méi)有規(guī)律可循。