拨开地球磁极倒转迷雾

来源：中国矿业网

 

关于地球磁极要倒转的言论近来流行于网络和民间，引起了许多猜测甚至末日的流言。究其原因，正是公众对地球磁场基本常识的缺乏所致，那么，地球磁场磁极为何倒转？倒转将有着怎样的影响，请跟随我国古地磁学家潘永信教授的解读，一起来了解地球磁极倒转的奥妙。

 

远古时磁极常倒转

 

地球的年龄大约46亿年，在如此漫长的时间里，曾发生过频繁的地磁极倒转，即地磁南极和地磁北极换位。在古地磁学研究中，为描述方便起见，将古磁极与现今磁极位置一致时称之为正极性，相反时称之为负极性或反极性。

 

地球磁极倒转是科学家在上世纪初发现的，是上世纪最重大的科学发现之一。根据古地磁学的研究，这样的磁极性倒转是以几十万年为尺度发生的，距今最近的磁极倒转发生在78万年前，在它之前的两次倒转分别为距今99万年前和107万年前。

 

也就是说，地磁每次发生倒转的时间间隔不固定，没有时间上的规律性。通过对过去1.6亿年地球磁场变化的研究证实，每百万年磁极有2次至6次的倒转，但间隔不等。值得一提的是，距今1.2亿年前至8000万年的白垩纪中近4000万年漫长的时间，磁极并没有发生倒转。但在过去78万年中，曾发生过一些没有成功的地磁极倒转。

 

对于历史上磁场变化情况是如何测出来的，潘永信指出，几十亿年的磁场变化，可以通过测量不同时期地层岩石的磁性记录来确定。距今数千年的磁场还能通过考古材料如烧制陶瓷等来研究，因为磁场变化在岩石或陶片中会留有痕迹。

 

打个比喻，如果说地磁场变化是在“歌唱”的话，那么岩石就如同天然的“录音机和磁带”，古地磁学的测量设备可相当于“播放机”。

 

 

地磁场是地球之“盾”

 

地球磁场是地球的重要物理场和环境因素之一。通过研究地磁场的变化，科学家们就能知道地球外核的变化。另外，从太空看磁层结构，地磁场包围着整个地球，就像一把巨伞，保护着地球上的生物免受宇宙射线辐射的伤害，起到“盾”的作用，将大部分太阳风高能粒子阻挡在地球之外。地磁场还有一个重要作用就是导航，人类用指南针导航，航海、探索新区域；动物利用地磁场自导航，如大家熟悉的鸽子回家、鱼类洄游等。基于这一点，人类也可以进行磁导航的仿生研究，在GPS、雷达等不能应用时，利用无处不在的地磁场来导航。

 

地球磁场磁极为什么会发生不定期的倒转？潘永信表示，这是当今科学界的难题，尚在研究中。最主要的困难是地核在2900千米以下，是深不可及的。

 

可以这样简单来理解，地磁场产生于地球内部圈层中外核的“发电机”——组成外核的导电液态铁的对流产生了地磁场。而外核之内的内核是固态的，它在不断生长，向外放热；外核的外面是地幔，地幔中也有速度相对慢得多的对流，还有超级地幔柱和深俯冲的板片。

 

这样，可以看到在外核中有两种主要驱动力维持外核的对流运动，一是热驱动，二是化学驱动。前者就像开水沸腾，热物质上升，冷物质下降；后者则是地球物质分异，重物质下降，而轻物质上升，这样就产生了对流。在这两种变化基础上，核幔相互作用和下地幔结构的变化更是“推波助澜”，其中最重要的就是源于地幔底部一直延伸到地表的超级地幔柱和岩石圈向地幔深处的俯冲。刚才讲的外核散热，其中途径之一就是通过地幔柱传输、吸收、释放热量，这种冷、热传导及化学变化的程度、快慢直接影响了外核“发电机”的状态，进而影响地磁场变化，包括地磁极倒转的发生。

 

近百年来强度减弱属正常波动

 

潘永信表示，在地球磁场极性发生倒转前直至新的磁极稳定之前，地磁场的强度会衰减，可以减弱到正常值的20%，但只是减弱，不会消失。

 

78万年前那次倒转是从原先的负极性变为正极性，它的过程持续了7000年左右的时间。根据古地磁学研究发现，这几千年间，南北磁极发生了多次变换。就是说，多次的快速倒转，磁南极变成磁北极后没“挺住”，又变回来了，之后又转换为磁南极，这样就呈现出了不稳定的状态，但最终还是完成了南北磁极互换，形成了今天的地磁场。

 

磁极倒转对地球产生什么影响？

 

地磁场起到一个“盾”的作用，保护地球生物和大气层，那么如果磁极倒转并伴有磁强度减弱的话，对太阳风粒子的抵挡、屏蔽作用会降低，就会有更多的高能带电粒子进入地球大气，到达地表。这对现代社会来说，最直接的影响就是强烈地冲击电离层，可能引起电离层暴，对无线电通信、在轨卫星、航天设备造成损害。

 

对地球生物最直接的影响就是靠磁导航的生物会迷失方向，如鸽子迷失方向等，也可能会引起一些生物生命活动中生理紊乱。地磁极倒转也可能对气候产生影响，78万年前那次倒转对地球生物和大气的影响值得深入研究。但人类的历史太短，如北京猿人距今才五六十万年，还没有经历过地磁极倒转，也就没有这方面的直接观测记录。

 

既然磁极倒转是与地球内部能量交换及物质对流有关，并通过超级地幔柱直接延伸至地壳，那么，发生磁极倒转是否会同时引起地质构造如火山、地震的强烈变动？

 

潘永信表示，地磁极倒转与地表地质构造活动没有简单的对应关系。从地球整体和长周期活动看，地磁极倒转与超级地幔柱活动和板块深俯冲可能有内在的联系，在地表会以构造或火山活动形式表现。但可以肯定，不是地磁极倒转直接引起地质构造运动、火山活动和地震，而是地球深部活动最终导致了火山、地震等近地表剧烈变动。

 

对于有报道说目前地磁强度在减弱，这是否意味着磁极有可能发生倒转？潘永信表示，不能简单地下这样的结论。科学家们前些年对这个问题展开过讨论。根据研究，地磁场的强度经常处于变化之中，呈波动状态。近百年来，地球磁场强度确实呈现减弱的趋势，但如果放在万年时间尺度上，这种减弱已多次出现，而且这次降低是从比正常值高的情况下往下降的，所以这次强度降低不能理解成是地磁极将要倒转的证据。换句话说，磁极倒转一定伴随着磁场强度的减弱，但磁场强度的减弱不一定意味将要倒转。而且目前磁场的强度与历史上的低值比较的话，还要高出很多，属于正常波动。

 

潘永信说，目前，已经有了地磁卫星和覆盖全球的地磁观测台网，能时刻记录地磁场变化，科学家也已经开始了地磁场变化的预测研究，如果出现大的异常，会及时发现并采取相应措施的。