大雨天的夜晚，小朋友会让妈妈陪在身边，或许还会问道：“妈妈，下这么大雨，天要是塌下来怎么办？”妈妈会很自信且斩钉截铁地告诉孩子：“不用怕，有妈妈在！”

       可是，要是有一天小朋友问道：“妈妈，要是地球磁场倒转了，我们可怎么办？”此时，妈妈脑海里能出现的就是电影《2012》里面的灾难镜头。地球磁场倒转，鸽子乱飞，地球突然变得极其寒冷，世界末日到来了。于是，妈妈可能就不那么自信了：“别怕，有妈妈在。”估计妈妈的声音也会很轻柔。

南方科普大讲堂第49期

2019年第9期

 

地球磁场倒转之谜

 

时间：2019年6月2日

10:00-11:00

地点：南方科技大学

图书馆111报告厅

 

主讲：林玉峰

南方科技大学地球与空间科学系

 

      地球磁场倒转是一个谜，并不是因为一般大众的知识面不够，其实，就是爱因斯坦这样的大科学家的结论也是，地球磁场倒转在未来很长一段时间内是个科学谜题！果不出其然，2005年，《科学》杂志出版了目前人类面临的125个科学难题，磁场倒转问题依旧赫然在列。

      为了了解这一复杂问题，林老师请来了一个卡通人小科。小科同学驾驶着一个简单而又先进的飞船，上天入地，还能穿越时空，看看他能够为我们带来什么视角。

 

首先，我们来了解一下电磁。

光就是电磁波。

一般情况下，

电与磁是双胞胎兄弟，不会分家。

而且，电流一变化，就会产生磁场，

磁场一变化，也会产生电场。

地球磁场

 

       我们的古人早就认识到地球有磁场。地球磁场大致为一个偶极磁场，结构非常简单磁力线从南极出来，指向北方，从北极进入地球。

       磁场方向稍微偏离南北方向（约11度），称之为磁偏角，最早由沈括发现。正是因为有磁偏角，我们用小磁针指北的时候要稍加小心，小磁针指向的可能不是正南正北。

国际地磁场参考模型

 

磁场对人类演化太重要了，

它是地球的保护伞。

太阳无时不刻地发送着高能粒子。

这些粒子在磁场中会发生路径偏转，

从而远离地球。

否则，这些高能粒子会高速轰击地球，

严重损坏地球上生物有机体的健康。

此外，

有些生物（比如，鸽子、大龙虾等）

也会利用磁场来导航。

甚至连微米级别的磁细菌，

也会利用磁场在水中游来游去。

地球磁场可以导航

1、地球磁场是怎么产生的？

       科学家需要从观测记录中寻找线索。经过仔细思考，科学家认为，地球内部应该有一种机制，类似于我们常见的发动机（英文叫Geodynamo）。

        地球内部温度很高，地球的铁质内核的温度有6000多度，而液态的铁镍外核温度只有4000多度。这样内核就会加热外核，像烧开水一样，外核就会流动起来。

        当然它的运动方式会有些复杂。有的地方属于上升区，有的地方输入下降区，从而形成各种对流，发动机就嘟嘟嘟运转起来了。

 

       我们姑且可以这么认为，这些铁镍因流体运动产生了电流，电流的变化又产生了地球的磁场。通过超级计算机的运算，科学家看到了某些合理的模式。首先，科学家发现由于地球转动，在南北方向的磁场最强，这就是我们的偶极子磁场。同时，还有一些小尺度的对流，在外核里横向运动，这可能就是非偶极子磁场，它不是很稳定。

       除了这种加热方式让外核的磁流体运动起来，还有一种方式也不能忽视，那就是地球的进动。这好比陀螺在转动时的情景，陀螺一边转，还一边会摇头晃脑。地球也会摇头晃脑，不过这个动作比较慢，这个周期是~2万年。所以，我们期待着，地球磁场应该会有一定的成分，其变化周期也是2万年。

 

无论如何，

地球磁场不是稳定，

它是变化的。

而且，

在某些时候，

变化得还很剧烈，

发生180度南北倒向，

这叫做地磁极性倒转。

这种现象在地球历史中

发生过很多次。

 

2、什么是地球磁场倒转？

       地球的磁极发生过很多次倒转，周期差不多是每20-30万年就来一次。在78万年前，地磁极从反向变成了今天的正向，而且整体上保持到现在。科学家就很迷惑，按道理地磁场应该倒转了，怎么78万年来就这么稳定呢？不过高精度的研究发现，地磁场会在150年的尺度上发生剧烈变化，过了一段时间，又返回原态。科学家把这种情况叫做地磁极性事件。要是把这种情况算在内，78万年来，地球磁场其实也不稳定。

       人类起源于500-600万年前的古猿。人类演化期间经历了很多次地球倒转事件，他们都顽强地活了下来。可是，为什么今天的人类这么怕磁场倒转？

 

       因为我们生活的环境变了。现在人类的生活非常依赖卫星、网络、手机登电子设备等。当磁场倒转时，地磁场强度变弱，更多宇宙高能粒子就会袭击地球，造成网络瘫痪，设别失灵，生物体受伤，基因会变异等等严重后果。

 

古地磁学家绘制的地磁倒转图：

▶  地球磁场已经倒转过很多次

▶  平均每隔20-30万年倒转一次，

     但没有规律

▶  最近的一次倒转是在78万年前

▶  完成一次倒转大约要几千年

 

3、地球磁场为什么倒转？

 

科学家是怎么知道

地球磁场会发生倒转呢？

这就得依靠古地磁学家。

磁场能够磁化岩石中的磁颗粒。

磁颗粒记录的方向一般

与当时的地球磁场方向一致。

于是，

古地磁学家发现有的岩石记录正向磁场，

有的记录反向磁场，

这说明地磁场发生了倒转。

 

        为了解释这种倒转机制，科学家提出了不少模型。有的科学家认为小行星碰撞地球，会造成地核中流体模式发生改变。有的科学家认为地球内部地幔发生大规模对流，与外核的对流之间有耦合关系，从而造成了较为复杂的倒转模式。科学家再次祭出超级计算机这个法宝，计算了磁场倒转时，磁极到底怎么变化。看起来还真是复杂，磁力线像一团乱麻一样，绕来绕去。

 

小行星碰撞地球

地幔对流

 

4、地球磁场很快要倒转了吗？

 

最近地磁场有点不正常，

它的北极发生了非常快速的运动。

同时，过去一百年以来，

地磁场强度降低了近10%，

要是按照这个速度，

用不了500年，

地磁场说不定就会倒转了。

为了监测这一行为，

地磁学家应用地面观测和卫星观测，

实施了解地磁场的动向。

地磁倒转的影响

 

倒转期间，地磁场减弱，对地球的保护作用减小，太阳辐射和宇宙射线等会“趁虚而入”。

•  导航失灵？ 

•  电力和通讯中断？ 

•  人造卫星损坏？ 

•  全球气温升高? 

•  大气逃逸?

 

5、其他天体有磁场吗？

       据目前所知，太阳的磁场最强大，而且每11年就会发生规律性的倒转。可是，科学家们还不知道地球的倒转是否也有这样的规律性。

        月亮、金星和火星现在没有磁场，不过它们之前有磁场，因为它们的内核发电机很快就停止了，所以磁场也消失了。

        除了太阳，木星的磁场排老二，不过木星的磁场好像有点复杂，小朋友提出，木星上的大红斑好像影响了其磁场行为，土星磁场偶极轴与自转轴高度一致。

        天王星和海王星的磁场具有非偶极子场行为。水星的磁场非常弱，科学家认为这可能受到了太阳风的影响。

       总之，太阳系内的各种星体的磁场千奇百怪，这可能说明星体磁场具有很多种过渡模式，我们看到的不同星体的各种磁场行为，可能都是星体内核发电机的不同状态。所以，把所有行为都考虑进去，可能是研究星体磁场演化的一条途径。

 

许多问题我们仍然不知道答案，

地磁倒转之谜仍未揭开，

希望小朋友将来继续探索研究……

 

数据、图片及视频主要来自以下个人和组织：
J. Aubert (IPGP, France)
N. Schaeffer (Grenoble, France)

A. Sheyko (ETHZ)

A.Jackson (ETHZ)

NASA、ESA、CSCS、BBC、Wikipedia、Youtube

 

 

讲师介绍

林玉峰

 

2007年毕业于武汉大学地球物理学专业，获学士学位；

2010年获北京大学固体地球物理硕士学位；

2015年3月获瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）博士学位。

2015年3月至2018年8月在英国剑桥大学应用数学与理论物理系从事博士后研究。

2018年9月入职南方科技大学地球与空间科学系，任助理教授，博士生导师。

 

主要从事地球与行星磁场起源，磁流体发电机，行星系统长期演化等方面的研究。迄今为止，在Physics of Fluids, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society等期刊以第一兼通讯作者发表论文多篇。2014和2016分别获得瑞士国家科学基金会Early Postdoc.Mobility Fellowship 和　Advanced Postdoc.Mobility Fellowship。

 

南方科普大讲堂体现着

南科大教授们的社会责任情怀，

让科学的种子

从小就扎根于小朋友的心中。

 

致  谢

 

南科大教授会

南科大教育基金会

南科大科普教授团队

南科大科普团队家委

科普家委义工

南科大信息中心

 

 

 

来源：“天生地海科普”公众号

编辑：刘青松

排版：叶云

文科阅读员：崔繁