林之森

不停變化的地磁場

你能指出北極嗎？也許你會說，拿一枚指南針，紅箭頭所指的不就是北極方向嗎？沒錯，大多數(shù)情況下是這樣，但也有出錯的時候。譬如，如果你在美國加利福尼亞，指南針所指的方向與真正的北極錯開了整整18°角。這個差錯可不小，即使對于徒步旅行者，也已經(jīng)是直行還是左轉(zhuǎn)的區(qū)別了。

不僅地磁場的局部會有異常，北極本身也不并總是固定在一個地方。1900年，北極在加拿大境內(nèi)，但一個世紀之后，它已經(jīng)移至格陵蘭島附近。在過去的18年里，它以每年40千米的速度繼續(xù)向東漂移，目前正移向西伯利亞。

地球磁場的怪異行為并沒有就此結(jié)束。有時它還會反轉(zhuǎn)“變性”—— 北極變南極，南極變北極。所以，在地球歷史上，指南針紅箭頭好幾次指向南極。你要是依賴指南針，那可真要南轅北轍啦。

這一切是怎么回事？解開這個謎，對于了解我們這個星球的未來至關(guān)重要。

地球磁場是如何起源的？

雖然我們中很少有人去過北極，但對于北極，我們并不陌生。許多孩子都知道，那是圣誕老人呆的地方。但北極不止一個：有地理北極，那是地球自轉(zhuǎn)軸與球面相交的地方;有地磁北極，那是地球磁場磁力線發(fā)出的地方;兩者并不重合。地理北極是不會移動的，會移動的是地磁北極，本文談?wù)摰摹氨睒O”即指后者。

同樣，它在地球另一端的對應(yīng)點叫地磁南極。地磁南極也并不像你想象的那樣位于南極中央，它也會移動。

幾個世紀以來，地磁場是如何產(chǎn)生的一直是個謎，傷透了很多科學家的腦筋。愛因斯坦本人曾經(jīng)認為，地磁場的起源是物理學中尚未解決的最大問題之一。后來，愛爾蘭物理學家約瑟夫·拉莫爾在100年前首次提出，地磁場是由位于地球中心的帶電金屬液體，在地球自轉(zhuǎn)作用下旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的。這一機制被稱為“地球發(fā)電機”假說。

越來越多的證據(jù)證明，拉莫爾是對的。地質(zhì)學家從地震波穿過地球內(nèi)部時反射回來的信號知道，地球內(nèi)部有一個金屬核，它由兩部分組成，內(nèi)核和外核。內(nèi)核溫度高達60 00℃，比太陽表面的溫度還略高。按理說，在這樣高的溫度下，金屬早就熔化成液體了，但由于巨大的壓力，內(nèi)核仍然是固體。外核則是熔融的鐵水，體積是月球的七倍之多。由于外核內(nèi)與內(nèi)核相鄰，外與地幔相鄰，存在兩個界面，內(nèi)外界面有溫度差，意味著鐵水在不停地對流。溫度高、密度小的鐵水上升到外核的外層，冷卻，密度變大之后，又下沉，熔化成鐵水，周而復(fù)始。金屬液體中充滿了電子，正是這些移動的電荷產(chǎn)生了磁場。

地理北極和地磁北極并不重合

錯綜復(fù)雜的地磁場

如果僅僅只有對流，地磁場的形狀可能相對簡單。然而，地球自轉(zhuǎn)把事情搞復(fù)雜了。自轉(zhuǎn)的離心力會將對流中的鐵水往一個方向甩，離心力大小取決于流體在地球內(nèi)部的位置。讓事情變得更加麻煩的是，在不同的地方，金屬液體的密度、粘度也都不同。所有這一切加在一起，導(dǎo)致了一個錯綜復(fù)雜的湍流運動，由此形成一個錯綜復(fù)雜的地磁場。

考慮到這一切，磁極在漂移不奇怪，要驚訝的倒是磁極為什么沒有瘋狂漂移。對于這個問題，可以這樣回答：因為這里所說的流體運動，都是非常緩慢的，是“慢鏡頭”，需要在數(shù)萬年的時間尺度上去考慮。短時間內(nèi)看起來，漂移不會“太瘋狂”。

磁極的漂移可用這種緩慢的湍流來解釋。但接下來會發(fā)生什么還不清楚。北極會繼續(xù)移動嗎？會移多遠？會不會已處于反轉(zhuǎn)的邊緣了？這些問題非常值得我們?nèi)?，去研究。因為地磁場對于我們的生存至關(guān)重要。如果不是地磁場為我們構(gòu)筑了一副“磁盾牌”，幫助我們偏轉(zhuǎn)了太陽風中的帶電粒子，地球上的生命早就毀滅了?，F(xiàn)在，自然也沒有人希望它急劇漂移，突然反轉(zhuǎn)。那這樣的話，我們將付出巨大的代價。

地磁場的記錄者

了解地磁場未來的一個辦法是回顧它的過去。它的過去記錄在一些巖石和礦物中。像長石這樣的磁性巖層變熱后再次冷卻時，其中的晶體朝向就會與當時當?shù)氐拇帕€對齊，因為這些晶體內(nèi)部含有磁性物質(zhì)。于是，它們成了地磁場的良好記錄者。通過讀取這些晶體，我們可以了解數(shù)百萬年前的地磁場。

這些記錄表明了地磁場在整個地球歷史中何時減弱，何時加強，何時完全反轉(zhuǎn)的。我們現(xiàn)在知道，在過去的8300萬年中，有過183次磁極反轉(zhuǎn)，最近一次發(fā)生在78萬年前。2019年，美國科學家約翰·塔杜多分析了加拿大魁北克地區(qū)5.65億年前的磁性巖石，發(fā)現(xiàn)當時的磁場是今天的1/10——這是在地表測量到的有史以來最弱的地磁場。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，他分析得出結(jié)論：在5.65億年前，地球經(jīng)歷了一個為時75000年的不穩(wěn)定期，在那段時間，地磁場極不穩(wěn)定，方向和強度都在不停變化。

內(nèi)核的形成挽救了地磁場

這不僅再次證實了地球磁場千萬年以來一直在變化，而且揭示了早期地球的更多故事。有些時候，地磁場看起來岌岌可危，幾乎瀕臨崩潰。如果這事真的發(fā)生了，復(fù)雜生命就不太可能在地球上出現(xiàn)。

是什么阻止了這場災(zāi)難？塔杜多的解釋是，地球內(nèi)部實心內(nèi)核的形成。

在誕生之初，地球的整個核原本都是熔融的金屬，沒有內(nèi)外核之分，演化到某個時間點，內(nèi)部溫度明顯下降，這導(dǎo)致對流運動減緩。對流減緩又導(dǎo)致地磁場削弱，幾乎消失。但與此同時，另一個動力開始啟動了：冷卻讓地球核心最深處的元素開始結(jié)晶，形成固體內(nèi)核。一些較輕的元素，例如硅和氧，從內(nèi)核擠出，進入外核，使外核的底層物質(zhì)密度降低，意味著更容易浮到上層去，這為對流增添了新的動力。正是這個動力，讓奄奄一息的地磁場重新獲得了生氣。

塔杜多的研究還揭示，為什么地表從津巴布韋延伸到智利的一塊地區(qū)，那里的磁場今天非常弱——事實上，由于地磁場太弱，衛(wèi)星在穿越其上空時，需要額外的保護，否則，衛(wèi)星上的電子設(shè)備就有被太陽風轟毀的危險。塔杜多和他的同事發(fā)現(xiàn)，在這片區(qū)域的地下，地磁場與地面是相反的，即指南針紅箭頭在地面指向北極，而在地下，指南針紅箭頭卻指向南極。正向的地磁場被反向的抵消，剩余的磁場自然就非常弱了。這一發(fā)現(xiàn)相當令人震驚。

塔杜多的團隊在很多地方都看到了地磁場異常的現(xiàn)象，甚至可將某些異常追蹤到地球外核中的流體運動。他們甚至可以根據(jù)記錄，追蹤歷史上磁極反轉(zhuǎn)是如何發(fā)生的。

為地磁場建立電腦模型

除了在地表尋尋覓覓，科學家還試圖通過為地磁場建立電腦模型，來預(yù)測下一步將要發(fā)生什么。例如，美國加利福尼亞大學的加里·格拉茨梅爾等人從基本物理定律出發(fā)，為地磁場建立了一個電腦模型。當模型運行時，他們看到磁場強度如何隨時間和位置而變化，還看到磁極的漂移，甚至反轉(zhuǎn)。這一切都符合我們在現(xiàn)實中看到的。

令人遺憾的是，目前電腦模型還過于簡單，很多因素還無法考慮，很多現(xiàn)象還解釋不了。

如果你想預(yù)測地表任何一個點的磁場方向，事情就會變得更加復(fù)雜。因為磁石集中的區(qū)域反過來也會影響到當?shù)氐拇艌?，造成磁力線的偏離。這就是為什么指南針在加利福尼亞州和其他許多地方不能直接指向北極的原因。

在實物模擬地磁場

也許我們需要一個更現(xiàn)實的模型——實物模型，而不是電腦模型。說到地核的實物模型，沒有什么比美國馬里蘭大學的丹尼爾·萊思羅普建造的液態(tài)鈉球更令人印象深刻了。

化學老師告訴你，鈉是一種很難處理的金屬，在潮濕的空氣中容易自燃，即使很少的量，也很危險，所以通常保存在煤油中。

但萊思羅普與之打交道的鈉并非少量。他正在擺弄一個裝在不銹鋼中，直徑3米的液態(tài)鈉球。整個裝置重20噸。在鈉球中心，有一個直徑1米的實心金屬芯，能獨立地以15次/秒的速度旋轉(zhuǎn)，用以模擬地球內(nèi)核，液態(tài)鈉球則模擬外核。分布在外表面的31個磁強計，用于測量產(chǎn)生的磁場。因為這個模型的核心比實際地核要小得多，他不得不用導(dǎo)電性能比鐵更好的金屬鈉以及更快的旋轉(zhuǎn)速度來補償：當相當于地球外核的液體鈉球全速轉(zhuǎn)動時，速度能達到每秒旋轉(zhuǎn)4次。

通過實驗，萊思羅普的團隊證明，液態(tài)金屬鈉的湍流能夠維持并放大磁場，這證明了拉莫爾的地球發(fā)電機假說確實符合事實。然而到目前為止，他們還沒辦法讓磁場自發(fā)地產(chǎn)生。

什么叫讓磁場自發(fā)地產(chǎn)生？原來根據(jù)地磁場的形成理論，地磁場先有一個“種子”磁場，也就是說，地球與生俱來有微弱的磁場，然后經(jīng)過“地球發(fā)電機”機制放大，才有今天的強度。為什么需要一個“種子”磁場呢？因為地球是電中性的，正負電荷的電量應(yīng)該相等。但正負電荷原本是混在一起的，它們?nèi)绻环珠_，是不會產(chǎn)生任何磁場的，所以必得先有一個“種子”磁場，讓正負電荷在運動時朝不同方向偏轉(zhuǎn)，才能將其分開。而地球的這個“種子”磁場又是通過別的機制自發(fā)產(chǎn)生的。

遺憾的是，萊思羅普的實驗不能自發(fā)地產(chǎn)生“種子”磁場，這個磁場“種子”需要人為地添加進去。

2018年，有德國科學家提出，地磁場的自發(fā)產(chǎn)生，可能源于地球的進動。所謂進動，就是一個自轉(zhuǎn)物體受外力作用之后，其自轉(zhuǎn)軸又繞某一中心旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。由于太陽與月亮的引力作用，地球的自轉(zhuǎn)軸在地球繞太陽公轉(zhuǎn)時，并不總是保持在空間的同一方向上，其自轉(zhuǎn)軸同時又繞著公轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。這種進動以大約2570 0年的周期在空間描繪出一個圓錐面，錐面的頂角為23.5°。

為了探索地磁場自發(fā)產(chǎn)生的機制，德國德累斯頓正在建設(shè)一個更大的實驗裝置，它包括一個裝有8噸液態(tài)鈉的圓筒。圓筒將繞其長軸每秒旋轉(zhuǎn)10次，長軸本身又繞另一條軸每秒旋轉(zhuǎn)1次，以模擬地球的進動。

所有這些努力都是值得我們付出的。首先，從小的方面來說，如果知道了地磁場是如何變化的，我們可以提前預(yù)防，保護電網(wǎng)免受太陽風暴的影響。從大的方面說，在極端情況下，地球也可能會完全失去地磁場——就像40億年前在火星上發(fā)生的那樣——從而變成不毛之地。我們不要把地球現(xiàn)在擁有的地磁場視為理所當然，我們要清楚，兩極是會漂移的，地磁場是可能會失去的。