林之森

不停變化的地磁場(chǎng)

你能指出北極嗎？也許你會(huì)說，拿一枚指南針，紅箭頭所指的不就是北極方向嗎？沒錯(cuò)，大多數(shù)情況下是這樣，但也有出錯(cuò)的時(shí)候。譬如，如果你在美國(guó)加利福尼亞，指南針?biāo)傅姆较蚺c真正的北極錯(cuò)開了整整18°角。這個(gè)差錯(cuò)可不小，即使對(duì)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(chǎng)的局部會(huì)有異常，北極本身也不并總是固定在一個(gè)地方。1900年，北極在加拿大境內(nèi)，但一個(gè)世紀(jì)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(chǎng)的怪異行為并沒有就此結(jié)束。有時(shí)它還會(huì)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(gè)謎，對(duì)于了解我們這個(gè)星球的未來至關(guān)重要。

地球磁場(chǎng)是如何起源的？

雖然我們中很少有人去過北極，但對(duì)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(gè)：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(chǎng)磁力線發(fā)出的地方;兩者并不重合。地理北極是不會(huì)移動(dòng)的，會(huì)移動(dòng)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(duì)應(yīng)點(diǎn)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(huì)移動(dòng)。

幾個(gè)世紀(jì)以來，地磁場(chǎng)是如何產(chǎn)生的一直是個(gè)謎，傷透了很多科學(xué)家的腦筋。愛因斯坦本人曾經(jīng)認(rèn)為，地磁場(chǎng)的起源是物理學(xué)中尚未解決的最大問題之一。后來，愛爾蘭物理學(xué)家約瑟夫·拉莫爾在100年前首次提出，地磁場(chǎng)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(jī)制被稱為“地球發(fā)電機(jī)”假說。

越來越多的證據(jù)證明，拉莫爾是對(duì)的。地質(zhì)學(xué)家從地震波穿過地球內(nèi)部時(shí)反射回來的信號(hào)知道，地球內(nèi)部有一個(gè)金屬核，它由兩部分組成，內(nèi)核和外核。內(nèi)核溫度高達(dá)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(gè)界面，內(nèi)外界面有溫度差，意味著鐵水在不停地對(duì)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(dòng)的電荷產(chǎn)生了磁場(chǎng)。

地理北極和地磁北極并不重合

錯(cuò)綜復(fù)雜的地磁場(chǎng)

如果僅僅只有對(duì)流，地磁場(chǎng)的形狀可能相對(duì)簡(jiǎn)單。然而，地球自轉(zhuǎn)把事情搞復(fù)雜了。自轉(zhuǎn)的離心力會(huì)將對(duì)流中的鐵水往一個(gè)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(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的湍流運(yùn)動(dòng)，由此形成一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的地磁場(chǎng)。

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(duì)于這個(gè)問題，可以這樣回答：因?yàn)檫@里所說的流體運(yùn)動(dòng)，都是非常緩慢的，是“慢鏡頭”，需要在數(shù)萬年的時(shí)間尺度上去考慮。短時(shí)間內(nèi)看起來，漂移不會(huì)“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(huì)發(fā)生什么還不清楚。北極會(huì)繼續(xù)移動(dòng)嗎？會(huì)移多遠(yuǎn)？會(huì)不會(huì)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?yàn)榈卮艌?chǎng)對(duì)于我們的生存至關(guān)重要。如果不是地磁場(chǎng)為我們構(gòu)筑了一副“磁盾牌”，幫助我們偏轉(zhuǎn)了太陽風(fēng)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(jià)。

地磁場(chǎng)的記錄者

了解地磁場(chǎng)未來的一個(gè)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(zhǎng)石這樣的磁性巖層變熱后再次冷卻時(shí)，其中的晶體朝向就會(huì)與當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐拇帕€對(duì)齊，因?yàn)檫@些晶體內(nèi)部含有磁性物質(zhì)。于是，它們成了地磁場(chǎng)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(chǎng)。

這些記錄表明了地磁場(chǎng)在整個(gè)地球歷史中何時(shí)減弱，何時(shí)加強(qiáng)，何時(shí)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(guó)科學(xué)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(dāng)時(shí)的磁場(chǎng)是今天的1/10——這是在地表測(cè)量到的有史以來最弱的地磁場(chǎng)。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(gè)為時(shí)75000年的不穩(wěn)定期，在那段時(shí)間，地磁場(chǎng)極不穩(wěn)定，方向和強(qiáng)度都在不停變化。

內(nèi)核的形成挽救了地磁場(chǎng)

這不僅再次證實(shí)了地球磁場(chǎng)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(shí)候，地磁場(chǎng)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(chǎng)災(zāi)難？塔杜多的解釋是，地球內(nèi)部實(shí)心內(nèi)核的形成。

在誕生之初，地球的整個(gè)核原本都是熔融的金屬，沒有內(nèi)外核之分，演化到某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，內(nèi)部溫度明顯下降，這導(dǎo)致對(duì)流運(yùn)動(dòng)減緩。對(duì)流減緩又導(dǎo)致地磁場(chǎng)削弱，幾乎消失。但與此同時(shí)，另一個(gè)動(dòng)力開始啟動(dòng)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(jìn)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(duì)流增添了新的動(dòng)力。正是這個(gè)動(dòng)力，讓奄奄一息的地磁場(chǎng)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(chǎng)今天非常弱——事實(shí)上，由于地磁場(chǎng)太弱，衛(wèi)星在穿越其上空時(shí)，需要額外的保護(hù)，否則，衛(wèi)星上的電子設(shè)備就有被太陽風(fēng)轟毀的危險(xiǎn)。塔杜多和他的同事發(fā)現(xiàn)，在這片區(qū)域的地下，地磁場(chǎng)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(chǎng)被反向的抵消，剩余的磁場(chǎng)自然就非常弱了。這一發(fā)現(xiàn)相當(dāng)令人震驚。

塔杜多的團(tuán)隊(duì)在很多地方都看到了地磁場(chǎng)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(yùn)動(dòng)。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(chǎng)建立電腦模型

除了在地表尋尋覓覓，科學(xué)家還試圖通過為地磁場(chǎng)建立電腦模型，來預(yù)測(cè)下一步將要發(fā)生什么。例如，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的加里·格拉茨梅爾等人從基本物理定律出發(fā)，為地磁場(chǎng)建立了一個(gè)電腦模型。當(dāng)模型運(yùn)行時(shí)，他們看到磁場(chǎng)強(qiáng)度如何隨時(shí)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?cè)诂F(xiàn)實(shí)中看到的。

令人遺憾的是，目前電腦模型還過于簡(jiǎn)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(cè)地表任何一個(gè)點(diǎn)的磁場(chǎng)方向，事情就會(huì)變得更加復(fù)雜。因?yàn)榇攀械膮^(qū)域反過來也會(huì)影響到當(dāng)?shù)氐拇艌?chǎng)，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(shí)物模擬地磁場(chǎng)

也許我們需要一個(gè)更現(xiàn)實(shí)的模型——實(shí)物模型，而不是電腦模型。說到地核的實(shí)物模型，沒有什么比美國(guó)馬里蘭大學(xué)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(xué)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(xiǎn)，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(gè)裝在不銹鋼中，直徑3米的液態(tài)鈉球。整個(gè)裝置重20噸。在鈉球中心，有一個(gè)直徑1米的實(shí)心金屬芯，能獨(dú)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(gè)磁強(qiáng)計(jì)，用于測(cè)量產(chǎn)生的磁場(chǎng)。因?yàn)檫@個(gè)模型的核心比實(shí)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(bǔ)償：當(dāng)相當(dāng)于地球外核的液體鈉球全速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，速度能達(dá)到每秒旋轉(zhuǎn)4次。

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

什么叫讓磁場(chǎng)自發(fā)地產(chǎn)生？原來根據(jù)地磁場(chǎng)的形成理論，地磁場(chǎng)先有一個(gè)“種子”磁場(chǎng)，也就是說，地球與生俱來有微弱的磁場(chǎng)，然后經(jīng)過“地球發(fā)電機(jī)”機(jī)制放大，才有今天的強(qiáng)度。為什么需要一個(gè)“種子”磁場(chǎng)呢？因?yàn)榈厍蚴请娭行缘?，正?fù)電荷的電量應(yīng)該相等。但正負(fù)電荷原本是混在一起的，它們?nèi)绻环珠_，是不會(huì)產(chǎn)生任何磁場(chǎng)的，所以必得先有一個(gè)“種子”磁場(chǎng)，讓正負(fù)電荷在運(yùn)動(dòng)時(shí)朝不同方向偏轉(zhuǎn)，才能將其分開。而地球的這個(gè)“種子”磁場(chǎng)又是通過別的機(jī)制自發(fā)產(chǎn)生的。

遺憾的是，萊思羅普的實(shí)驗(yàn)不能自發(fā)地產(chǎn)生“種子”磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)“種子”需要人為地添加進(jìn)去。

2018年，有德國(guó)科學(xué)家提出，地磁場(chǎng)的自發(fā)產(chǎn)生，可能源于地球的進(jìn)動(dòng)。所謂進(jìn)動(dòng)，就是一個(gè)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(shí)，并不總是保持在空間的同一方向上，其自轉(zhuǎn)軸同時(shí)又繞著公轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。這種進(jìn)動(dòng)以大約2570 0年的周期在空間描繪出一個(gè)圓錐面，錐面的頂角為23.5°。

為了探索地磁場(chǎng)自發(fā)產(chǎn)生的機(jī)制，德國(guó)德累斯頓正在建設(shè)一個(gè)更大的實(shí)驗(yàn)裝置，它包括一個(gè)裝有8噸液態(tài)鈉的圓筒。圓筒將繞其長(zhǎng)軸每秒旋轉(zhuǎn)10次，長(zhǎng)軸本身又繞另一條軸每秒旋轉(zhuǎn)1次，以模擬地球的進(jìn)動(dòng)。

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(chǎng)是如何變化的，我們可以提前預(yù)防，保護(hù)電網(wǎng)免受太陽風(fēng)暴的影響。從大的方面說，在極端情況下，地球也可能會(huì)完全失去地磁場(chǎng)——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(chǎng)視為理所當(dāng)然，我們要清楚，兩極是會(huì)漂移的，地磁場(chǎng)是可能會(huì)失去的。