地球磁場為何經常變化? 在地球45億年的生命史中,地磁的方向已經在南北方向上反覆反轉了好幾百次.地球的磁場並非亙古不變,它的南北磁極曾經對換過位置,即地磁的北極變化成地磁極,而地磁的南極變成了地磁的北極.這就是所謂的“磁極倒轉”.人們曾在世界各地記錄當地的地磁場方向和強度,後來科學家們又發現在火山熔岩和大陸與海底的地質沉積物當中,能夠找到更加久遠的歷史上的地磁記錄.所有這些資料都告訴我們,地球磁場的空間分佈非常複雜,反映了它的產生機制也非常複雜,決不是可以簡單地想象為由一根南北向的磁鐵棒所發出的.而地磁場的方向與強度在漫長的歷史當中隨著時間而發生的變遷,也是充滿了未解之謎.地球磁極變化的最激動人心一幕是“磁極倒轉”事件.在地球演化史中,“磁極倒轉”事件經常發生.僅在近450萬年裡,就可以分出四個磁場極性不同的時期.有兩次和現在基本一樣的“正向期”,有兩次和現在正好相反的“反向期”.而且,在每一個磁性時期裡,有時還會發生短暫的磁極倒轉現象.地球磁場的這種磁極變化,同樣存在於更古老的年代裡.從大約6億年前的前寒武紀末期,到約5.4億年前的中寒武世,是反向磁性為主的時期；從中寒武世到約3.8億年前的中泥盆世,是正向磁性為主的時期；中泥盆世到約0.7億年前的白堊紀末,還是以正向極性為主；白堊紀末至今,則是以反向極性為主.如果把地球的歷史縮短成一天,在這期間你會發現手上的指南針像瘋了似的亂轉,一會兒指南一會兒指北.地球磁場變化威脅人類在電影《後天》中我們曾看到這樣的鏡頭,群鳥迅速遷徙甚至一頭撞向牆壁,大如拳頭的冰雹砸向四處躲避的人群.電影為我們真實地展示了地球磁場易位對人類的危害.地球為什麼有磁場?磁場又為什麼會反轉? 第一種解釋:地球磁場變化可能與來自地下的低頻輻射有關雖然人類已經進入21世紀,科學改變了我們的生活,但科學卻還沒有徵服自然,更多的時候它只是在記錄那些不可思議的事情是如何發生的.例如,未知的地下低頻輻射.科學家發現來自地下的低頻輻射與一些神秘的事故存在密切關係.現在尚不清楚產生這種輻射的確切原因,但科學家估計可能是地殼運動的結果.當地殼劇烈運動時,電磁粒子就會從地下逃逸出來.檢測顯示,當這種輻射爆發時,交通事故和求醫看病的人會明顯增多.科學家還觀察到地球磁場出現了空洞,由此推斷地球磁極可能在不久的將來改變方位.事實上,現在北磁極就在向西伯利亞方向移動,南磁極則移向澳洲海岸.科學家推斷磁極1.5萬年才會易位一次,每次都造成大批動物死亡,恐龍、猛獁象很可能就因此滅亡,大西洋一些神秘沉沒的海島也可能與磁極易位有關.地球上還有不少黑暗地帶,在這些區域裡事故頻發,人體器官也會嚴重受損.科學家認為這也是輻射在“搞鬼”.在地質斷裂帶及不同層面的地下水流交匯地區,磁場會出現異常變化,這種變化甚至對大氣電流都有影響.研究顯示,只有5%的人對地下輻射具有抗干擾能力.第二種解釋:地球是一個巨大的“發電機”大多數人認為,指北針當然指向北方.數千年以來,水手依靠地球磁場來導航；而鳥類和其他對磁場敏感的動物已經應用這個方法有更長一段時間了.說來奇怪,地球的磁極並不是一直都指向現在的方向. 礦物可以記錄過去地球磁場的方向,人們利用這一點,發現在地球45億年的生命史中,地磁的方向已經在南北方向上反覆反轉了好幾百次.不過,在最近的78萬年內都沒有發生過反轉——這比地磁反轉的平均間隔時間25萬年要長了許多.更有甚者,地球的主要地磁場自從1830年首次測量至今,已經減弱了近10％.這比在失去能量來源的情況下磁場自然消退的速度大約快了20倍!下一次地磁反轉即將來臨嗎? 一些地球物理學家認為,地球磁場變化的原因來源於地球中心的深處.地球像太陽系裡的其他某些天體一樣,是透過一個內部的發電機來產生自己的磁場.從原理上,地球“發電機”和普通發電機一樣工作,即由其運動部份的動能產生電流和磁場.發電機的運動部份是旋轉的線圈；行星或恆星內部運動部分則發生在可導電的流體部分.在地心,有著6倍於月球體積的巨大鋼鐵融流海洋,構成了所謂的地球發電機（geodynamo）. 我們探究磁場如何反轉之前,需要了解是什麼驅動著地球發電機.在1940年代,物理學家就公認：三個基本條件對產生任何的行星磁場是必需的,並且自那以後的其他發現都是建立在這一共識之上.第一個條件是：要有大量的導電流體──地球地心的外核是富含鐵的流體.這個臨界層包裹著一個幾乎純鐵的固態地心核心,深埋在厚重的地幔和極薄地大陸、海洋地殼之下.距離地表的深度約2900千米.地殼和地幔重量帶來的極大負荷,造成了地核內的平均壓力是地表壓力的200萬倍.此外,地心的溫度也同樣極端──大約為攝氏5000度,和太陽表面的溫度相近. 這些極端的環境條件,構成了行星發電機的第二要件：驅動流體運動的能量來源.驅動地球發電機的能量,部分是熱能,部分是化學能——兩者都在地心深處造成浮力.就像一鍋在火爐上熬著的湯一樣,地心的底部比頂部熱（地心的高溫是地球形成時截留在地球中心的熱能）.這意味著地心底部較熱的、密度較低的鐵趨向於上升,就像熱湯裡的水滴.當這些流體到達地心頂部時,會由於碰到上覆的地幔而喪失部份熱量.於是液態鐵會冷卻、密度變得比周圍的介質高,從而下沉.這個透過流體的上升和下降來自下而上傳遞熱量的過程稱為熱對流. 現任職於美國加州大學洛杉磯分校的Stanislav Braginsky在1960年代指出過,熱量從地心上部的外核逸出也會導致地心固態核心體積的膨脹,產生兩種另外的浮力來源來驅動對流.當液體的鐵在固態核心的外部凝固成晶體時,潛在的熱量——結晶熱會作為副產品被釋放出來.這些熱量有助於增強熱浮力.此外,密度較低的化合物（如硫化鐵和氧化鐵）被核心的結晶體排出並穿過外核上升,也會加強對流.行星要產生自維持的磁場,還需要第三個條件：旋轉.地球的自轉透過科里奧效應（Coriolis effect）使地心內上升的流體偏轉,就像我們在氣象衛星影像上看到的洋流和熱帶風暴被科里奧效應扭曲成熟悉的漩渦狀一樣.在地心中,科里奧力（Coriolis forces）使上湧的流體偏轉,沿著螺旋形的軌跡上升,彷彿沿著鬆弛彈簧的螺旋狀金屬線運動. 地球有著一個富含鐵的液態地心能夠導電、有足夠的能量驅動對流、有科里奧力使對流的流體偏轉,這些是地球發電機能夠維持它本身數十億年的主要原因.但科學家需要更多證據來回答磁場的形成和為什麼隨著時間的推移會改變極性等令人迷惑的問題.根據衛星測量資料外推至地心-地幔邊界的地球磁場的等高線圖顯示大部分磁通量是在南半球穿出地心,在北半球進入地心.但是在少數特殊區域,確實出現了相反的情況.這些反向通量帶在1980年和2000年之間增長和擴張,如果它們覆蓋了兩極,接著就會發生極性反轉.雖然上述兩種解釋都有經過驗證的科學理論作為依據,但也有一些科學家對此提出了他們的疑問.希望在不久的將來,科學家能夠為我們揭開謎團.
地球磁場為何經常變化? 在地球45億年的生命史中,地磁的方向已經在南北方向上反覆反轉了好幾百次.地球的磁場並非亙古不變,它的南北磁極曾經對換過位置,即地磁的北極變化成地磁極,而地磁的南極變成了地磁的北極.這就是所謂的“磁極倒轉”.人們曾在世界各地記錄當地的地磁場方向和強度,後來科學家們又發現在火山熔岩和大陸與海底的地質沉積物當中,能夠找到更加久遠的歷史上的地磁記錄.所有這些資料都告訴我們,地球磁場的空間分佈非常複雜,反映了它的產生機制也非常複雜,決不是可以簡單地想象為由一根南北向的磁鐵棒所發出的.而地磁場的方向與強度在漫長的歷史當中隨著時間而發生的變遷,也是充滿了未解之謎.地球磁極變化的最激動人心一幕是“磁極倒轉”事件.在地球演化史中,“磁極倒轉”事件經常發生.僅在近450萬年裡,就可以分出四個磁場極性不同的時期.有兩次和現在基本一樣的“正向期”,有兩次和現在正好相反的“反向期”.而且,在每一個磁性時期裡,有時還會發生短暫的磁極倒轉現象.地球磁場的這種磁極變化,同樣存在於更古老的年代裡.從大約6億年前的前寒武紀末期,到約5.4億年前的中寒武世,是反向磁性為主的時期；從中寒武世到約3.8億年前的中泥盆世,是正向磁性為主的時期；中泥盆世到約0.7億年前的白堊紀末,還是以正向極性為主；白堊紀末至今,則是以反向極性為主.如果把地球的歷史縮短成一天,在這期間你會發現手上的指南針像瘋了似的亂轉,一會兒指南一會兒指北.地球磁場變化威脅人類在電影《後天》中我們曾看到這樣的鏡頭,群鳥迅速遷徙甚至一頭撞向牆壁,大如拳頭的冰雹砸向四處躲避的人群.電影為我們真實地展示了地球磁場易位對人類的危害.地球為什麼有磁場?磁場又為什麼會反轉? 第一種解釋:地球磁場變化可能與來自地下的低頻輻射有關雖然人類已經進入21世紀,科學改變了我們的生活,但科學卻還沒有徵服自然,更多的時候它只是在記錄那些不可思議的事情是如何發生的.例如,未知的地下低頻輻射.科學家發現來自地下的低頻輻射與一些神秘的事故存在密切關係.現在尚不清楚產生這種輻射的確切原因,但科學家估計可能是地殼運動的結果.當地殼劇烈運動時,電磁粒子就會從地下逃逸出來.檢測顯示,當這種輻射爆發時,交通事故和求醫看病的人會明顯增多.科學家還觀察到地球磁場出現了空洞,由此推斷地球磁極可能在不久的將來改變方位.事實上,現在北磁極就在向西伯利亞方向移動,南磁極則移向澳洲海岸.科學家推斷磁極1.5萬年才會易位一次,每次都造成大批動物死亡,恐龍、猛獁象很可能就因此滅亡,大西洋一些神秘沉沒的海島也可能與磁極易位有關.地球上還有不少黑暗地帶,在這些區域裡事故頻發,人體器官也會嚴重受損.科學家認為這也是輻射在“搞鬼”.在地質斷裂帶及不同層面的地下水流交匯地區,磁場會出現異常變化,這種變化甚至對大氣電流都有影響.研究顯示,只有5%的人對地下輻射具有抗干擾能力.第二種解釋:地球是一個巨大的“發電機”大多數人認為,指北針當然指向北方.數千年以來,水手依靠地球磁場來導航；而鳥類和其他對磁場敏感的動物已經應用這個方法有更長一段時間了.說來奇怪,地球的磁極並不是一直都指向現在的方向. 礦物可以記錄過去地球磁場的方向,人們利用這一點,發現在地球45億年的生命史中,地磁的方向已經在南北方向上反覆反轉了好幾百次.不過,在最近的78萬年內都沒有發生過反轉——這比地磁反轉的平均間隔時間25萬年要長了許多.更有甚者,地球的主要地磁場自從1830年首次測量至今,已經減弱了近10％.這比在失去能量來源的情況下磁場自然消退的速度大約快了20倍!下一次地磁反轉即將來臨嗎? 一些地球物理學家認為,地球磁場變化的原因來源於地球中心的深處.地球像太陽系裡的其他某些天體一樣,是透過一個內部的發電機來產生自己的磁場.從原理上,地球“發電機”和普通發電機一樣工作,即由其運動部份的動能產生電流和磁場.發電機的運動部份是旋轉的線圈；行星或恆星內部運動部分則發生在可導電的流體部分.在地心,有著6倍於月球體積的巨大鋼鐵融流海洋,構成了所謂的地球發電機（geodynamo）. 我們探究磁場如何反轉之前,需要了解是什麼驅動著地球發電機.在1940年代,物理學家就公認：三個基本條件對產生任何的行星磁場是必需的,並且自那以後的其他發現都是建立在這一共識之上.第一個條件是：要有大量的導電流體──地球地心的外核是富含鐵的流體.這個臨界層包裹著一個幾乎純鐵的固態地心核心,深埋在厚重的地幔和極薄地大陸、海洋地殼之下.距離地表的深度約2900千米.地殼和地幔重量帶來的極大負荷,造成了地核內的平均壓力是地表壓力的200萬倍.此外,地心的溫度也同樣極端──大約為攝氏5000度,和太陽表面的溫度相近. 這些極端的環境條件,構成了行星發電機的第二要件：驅動流體運動的能量來源.驅動地球發電機的能量,部分是熱能,部分是化學能——兩者都在地心深處造成浮力.就像一鍋在火爐上熬著的湯一樣,地心的底部比頂部熱（地心的高溫是地球形成時截留在地球中心的熱能）.這意味著地心底部較熱的、密度較低的鐵趨向於上升,就像熱湯裡的水滴.當這些流體到達地心頂部時,會由於碰到上覆的地幔而喪失部份熱量.於是液態鐵會冷卻、密度變得比周圍的介質高,從而下沉.這個透過流體的上升和下降來自下而上傳遞熱量的過程稱為熱對流. 現任職於美國加州大學洛杉磯分校的Stanislav Braginsky在1960年代指出過,熱量從地心上部的外核逸出也會導致地心固態核心體積的膨脹,產生兩種另外的浮力來源來驅動對流.當液體的鐵在固態核心的外部凝固成晶體時,潛在的熱量——結晶熱會作為副產品被釋放出來.這些熱量有助於增強熱浮力.此外,密度較低的化合物（如硫化鐵和氧化鐵）被核心的結晶體排出並穿過外核上升,也會加強對流.行星要產生自維持的磁場,還需要第三個條件：旋轉.地球的自轉透過科里奧效應（Coriolis effect）使地心內上升的流體偏轉,就像我們在氣象衛星影像上看到的洋流和熱帶風暴被科里奧效應扭曲成熟悉的漩渦狀一樣.在地心中,科里奧力（Coriolis forces）使上湧的流體偏轉,沿著螺旋形的軌跡上升,彷彿沿著鬆弛彈簧的螺旋狀金屬線運動. 地球有著一個富含鐵的液態地心能夠導電、有足夠的能量驅動對流、有科里奧力使對流的流體偏轉,這些是地球發電機能夠維持它本身數十億年的主要原因.但科學家需要更多證據來回答磁場的形成和為什麼隨著時間的推移會改變極性等令人迷惑的問題.根據衛星測量資料外推至地心-地幔邊界的地球磁場的等高線圖顯示大部分磁通量是在南半球穿出地心,在北半球進入地心.但是在少數特殊區域,確實出現了相反的情況.這些反向通量帶在1980年和2000年之間增長和擴張,如果它們覆蓋了兩極,接著就會發生極性反轉.雖然上述兩種解釋都有經過驗證的科學理論作為依據,但也有一些科學家對此提出了他們的疑問.希望在不久的將來,科學家能夠為我們揭開謎團.