磁场转换之谜

地球磁场能够保护我们免受太阳辐射的危险。如今地球磁场正在变得越来越不稳定，南北磁极会转换吗？

磁场转换为什么越来越频繁

你可能会认为指南针总是指向北方，但事实上，在遥远的地球历史上，南北磁极已经历过多次转换。地球磁场的存在对于地球生命意义重大，它能够保护地球生物免受太阳辐射的危险。但至今为止的地质证据分析表明，如今地球磁场正在变得越来越不稳定。在遥远的过去，地球南北磁极要比现在稳定得多，每隔500万年出现一次南北磁极大逆转，但是现在，南北磁极的转换正在变得越来越频繁，每隔20万年就会翻转一次。

地球磁场由地核提供动力。地心是一个固体内核，周围是呈流体状的外核，越往中心温度越高，外核中炽热的铁水不断上升，然后冷却下沉。这种对流，加上地球的旋转，就像一个巨大的“发电机”，为地球磁场提供动力。

由于地球中心温度和铁水流动情况的变化，导致南北磁极位置发生变化，这些变化会在岩石上留下痕迹。熔岩冷却时，岩浆中的磁铁矿物质按地磁场的方向被磁化，岩浆冷却并凝固下来后，地磁场的方向和磁极被保留在磁化了的岩石中。因此科学家可以根据熔岩年代以及上面留下的痕迹，推算出历史上各个不同时期磁极的位置。

科学家发现，在过去1亿年里，地球磁场已发生过大约170次磁极逆转事件，最近一次的地球南北磁极逆转发生在78.1万年前。

磁极逆转是否正在变得越来越频繁？在理论上，这要取决于地核中发生了什么样的变化。

研究人员认为地心内核在缓慢增长，而地心外核则在逐渐变冷凝固，这意味着磁极翻转会更频繁。美国加州大学圣克鲁斯分校的加里・格拉特兹梅尔和他的同事通过模拟实验表明，地心内核越大，对地心外核岩浆流动的阻力就越大，磁场也越不稳定。

但这一点很难证实，因为越是古老岩石上磁场方向的证据越是难以完好保存下来。芬兰赫尔辛基大学的托尼・维科莱恩将从5亿～30亿年历史的岩石样本上获得的一批数据收集在一起。首先，他淘汰了所有不可靠的数据，例如，将有可能导致数据混乱的含有赤铁矿的样本排除在外，一些冷却缓慢的岩石也被排除在外，如花岗岩。

通过这些数据资料，维科莱恩发现，在遥远的过去，地球磁场要比现在稳定得多，磁极逆转的频率要比现在低得多。1亿～15亿年前，地球磁场逆转每隔370万年发生一次，但在更遥远的15亿～29亿年前，地球磁场每隔500万年才翻转一次。

而在较近过去的1.5亿年里，地球磁场每隔60万年翻转一次，在更近些的1千万年至20万年里，地球磁场转换的速度继续加快，每隔20万年至25万年就翻转一次。维科莱恩说：“这些证据表明，地球磁场过去要比现在稳定得多，磁极逆转的频率也要低得多。”

下一个磁场逆转事件会很快到来吗？这很难说。根据欧洲航天局的卫星群收集到的最新数据显示，地球磁场正以每10年5%的速度在变弱，虽然磁场总是在不断的变化之中，但地球磁场每100年5%的速度发生变化可能更正常一些，因此一些人推测下一次磁极逆转可能正在迫近。

在磁极逆转发生时，地球磁场会大大减弱，甚至消失一段时间，到时会发生什么目前还不十分清楚，但据科学家们推测，有可能极大地影响到电网和通信系统的正常运行。

地心活动与磁场转换

地球深处的地心是一个难以想象的地方。在离地面5000多千米的含铁丰富的地核内，超高温度堪比太阳表面的温度，巨大的压强相当于20头蓝鲸的重量作用在一张邮票上。

正是地心中的这种极端环境生成了地球磁场，也正是有了覆盖整个地球表面的地磁力，我们这颗行星上才有可能孕育出丰富多样的生命形式。当太阳带电粒子偶尔造访地球时，地球磁场可迫使其转变方向，避免地球遭到被狂暴的太阳带电粒子“狂轰滥炸”的厄运。没有强大磁场的这道防线，太阳风暴来临时，地球上所有的生命形式都会被烤干，地球大气层也将会逐渐消失。

几十年来，科学家们一直在努力探索地球磁场和磁性的秘密。有一个普遍认可的共识：地心外核流动铁水的导热性产生磁场。然而，近几年科学家对地球磁场的研究有了更多新的发现。2012年时有科学家提出，如今地心中的流动铁液的导热性比之前所认为的更强，这意味着早期地球即使有磁场存在，磁力也很弱，但令人困惑的是，古代岩石上的磁极变化记录显示，强大的磁场已经保护了地球几十亿年。

地心中的热传导与热对流

那么，这到底是怎么回事呢？2015年1月，超级计算机模拟提供了一个可能的答案。计算机模拟地心中极端温度和极端压力环境中电子围绕铁原子活动的情况显示，早期地球地心中铁的热传导率极低，足以产生一个强大的磁场，当时，研究人员认为地心神秘之谜可能已经得到解决。但之后研究人员模拟地球地心极端环境的实验让人们怀疑，虽然离真正的答案更近了一些，但地心之谜真的那么容易得到解决吗？

我们知道，热对流就像平时烧水，先是下面的水受热，然后升上去，上面凉的水就会降下来然后受热。热对流一般是发生在气体和液体中的，受热的气体或液体会带着热量升上去，凉的气体或液体会下沉，受热后继续升上去，上去后丢失了热量又会降下来。这样反复循环，就是对流。热传导是发生在固体中的，重要的是两个固体要接触，然后热量会通过两个物体分子的接触从高热量的物体传到低热量的物体，直到它们的温度相等。

地心中的地核就像一个巨大的热力发动机，宇宙中星体物质大碰撞时期遗留下来的能量为它提供了大量的“燃料”，随着地球逐渐冷却，内核逐渐凝固，但外层的原始能量仍然围绕着凝结成固体的内核运动着。一些热能通过热传导作用在原子间传导，但当热能超过了内热传导作用的极限时，较热的部分就会像热气球中的热空气一样上升，较冷的部分向下沉降，形成热对流，随着对流作用开始形成，地核物质也开始运动起来。

热对流使得外核融化的铁水像漩涡一样旋转起来，不断旋转的炽热液体起着巨大发电机的作用，维持和强化着原有的磁场。如果更多的热量是通过热传导作用，而不是通过热对流作用来传播，这个“发电机”的运动就会减弱，磁场也会变弱。

5年前，科学家认为地心外核中铁液的热量大部分是通过热对流作用传输的;但2012年多个研究小组分别发现并提出，更多热量是通过热传导作用在地核中传输，地核中的热对流则相对较弱，如果是这样，是否意味着地球磁场会有麻烦呢？

美国华盛顿卡内基科学研究所地球物理学家彼得・德里斯科尔说：“这是一个令人震惊的结论。”对于热对流作用驱动强大地球磁场的理论，人们开始产生了疑问。

地球磁场活动的实验与理论

研究发现，驱动现代地球地核运动的并不仅仅是热对流，在早期地球渐渐冷却的过程中，地心中的铁开始由内而外凝固起来，这个过程还在继续之中，目前固体内核向外增长的速度高达每秒6000吨。较轻的元素，如氧和硫，混合在固化的铁中被挤压进入地心外核，向外的推力导致地心外核剧烈搅动，维持着地磁“发电机”的持续运行。到目前为止，地核的凝固部分只占4%，还有大量能量可继续维持磁场运转数十亿年。

地球磁场的未来我们还不需要担心，但地球磁场的过去依然还是一个扑朔迷离的谜。2012年对地球地核的热传导率估计表明，地核只是在过去10亿年里才开始凝固，在此之前，地核中缓慢的热对流只能产生一个弱磁场。

然而，岩石记录显示的却似乎与我们推断的不一样。2015年7月，美国纽约罗切斯特大学地球物理学家约翰・塔都诺和他的同事在《科学》杂志上发表文章提出了最古老地球磁场记录的证据。通过测量嵌入古代晶体中的磁性杂质，研究人员证明，42亿到33亿年前，地球已经形成了一个比较强大的磁场，变化幅度相当于如今地球磁场的约12 %～100%。

从那时开始的地球磁场早期变化的历史也同样令人困惑。地球物理学家推测，当较轻的物质离开内核，以一种新的方式“搅拌”这个巨大的磁力发动机时，磁场强度会突然增加，“为磁场提供了一个新的动力。”美国约翰霍普金斯大学地球物理学家彼得・奥尔森在2013年《科学》杂志上发明的一篇论文中，对这种难以捉摸的现象称为“新的地核悖论”，即地球磁场的主流理论和地磁变化历史留下的记录无法吻合。

然而，导致这一悖论的观点也并非是最后定论。地心温度可达6000℃，压强是海平面大气压强的300万倍以上，人们无法真正进入地心一游，根本没有直接测量和收集数据的办法。目前科学家还无法在实验室里精确模拟地心的极端环境，测量出准确的热传导率。事实上，科学家在实验室里模拟实验的温度通常都低于1700℃，目前只能根据差强人意的模拟条件来推断地心中发生的一切。

因此，这种推断可能会产生模棱两可的结果，因为它假定的是，实验温度和地心实际温度之间的差异，不会明显改变地心中熔岩的行为方式，但这只是一种可能的设想。2015年早些时候，研究人员提出，对热传导率估计过高，可能是忽略掉了实验条件下相对较低温度与地心中实际上的恶劣温度环境之间的差异导致的某些东西，而这被忽略掉的某种东西有可能是解决新产生的地心悖论的关键。

要了解铁熔液的热传导率，就需要深入了解电子是如何绕着铁原子旋转运动的。在铁这样的金属里，是通过自由移动的电子传输电荷和热能，铁的导电性能和传热性能取决于这些电子的传输能力。

在地球表面的温度和压力条件下，抵抗电子移动的阻力被认为来自铁原子本身。电子与振动的铁原子相撞，限制了电能和热能的传输。然而，地核中的铁熔岩的行为却非常的不同，在地核中铁熔液受的挤压力是正常密度的1.6倍，而大量的热能也极大地提高了电子运动的速度。

磁场是地球的强大保护神

2015年7月，研究人员对古老岩石的分析表明，强磁场保护地球至少已有42亿年的历史了，在地球历史上磁场一直是地球强大的保护神。

美国卡内基科学研究所地球物理学家罗纳德・科恩和他的同事对地核中的铁的行为进行了数字模拟，他们不是试图在实验室里进行复制地核中的极端条件的实验，而是通过数字模拟准确跟踪每个电子的活动。

科恩团队的模拟从处于地心温度和压力条件下的数百个铁原子开始，电脑程序对每个铁原子和电子施加压力，推动每个粒子一点一点向前移动，一遍又一遍地重复这一过程，直到通过这些“快照”创建出一个电子移动的视频。对庞大数量的粒子活动进行模拟，以及对它们之间错综复杂的关系进行计算是一项非常耗时耗力的工作，即使是通过超级计算机，也无法得到确切的热传导率，研究人员只能通过一次又一次的重复实验，尽可能降低程序对铁的热传导率计算的不确定性。

在达到之前实验室的实验温度时，科恩团队的计算机模拟结果与之前1700℃温度时预测的铁的热传导率相一致。而在超过这个温度时，一个之前完全被忽略了的交互作用开始出现，他们发现，除了铁原子振动时的电子散射之外，热能激发的电子活动也更加频繁，并开始相互碰撞。在地心环境中，这种电子间碰撞的作用，与电子与铁原子的碰撞同样重要，并在实际上导致受到的阻力翻了一番，使得热传导率降到只有2012年估计的约一半。

这个新得出的较低的热传导率估计值，是否可以帮助解决近年来令人困惑的矛盾和问题呢？多名地球物理学家对此持谨慎乐观的态度，不管怎么说，新的热传导率估计仍然只是一种理论，它需要实验结果来证实更高温度下电子与电子间的碰撞活动。但到目前为止，这仍然是很难实际进行的一种实验。

美国德里斯科尔提出，新产生的地核悖论也并非不可破解，来自地心内核的大量热量流足以产生维持磁场的对流。他认为，额外的热量可能来自放射性元素的衰变。据研究人员推测，地核中可能含有大量的放射性铀和钍。据德里斯科尔计算，现代地核中相对少量的放射性物质也足以转化为古代磁场的巨大推动力。如果说如今只有少量的放射性物质给地核提供热量，这意味着几十亿年前，地心中曾有着大量的放射性原子驱动着热量的传输。

地球表面以下数千米的地核中到底发生了些什么，科学家仍在探索和争议之中。这是一个值得探讨的问题，激励着人们去探索地核和地球磁场的真相。