北極要漂走，是誰在搗鬼？

海說神聊極正在漂移，并且比以往任何時辰都快。為了理解為什么，我們需要到地球的中間找謎底。

不斷轉變的地磁場

您能指出海說神聊極嗎？也許您會說，拿一枚指南針，紅箭頭所指的不就是海說神聊極偏向嗎？沒錯，大大都環境下是這樣，但也有犯錯的時辰。譬如，若是您在美國加利福尼亞，指南針所指的偏向與真正的海說神聊極錯開了整整18°角。這個差錯可不小，即使對于徒步觀光者，也已經是直行仍是左轉的區別了。

不僅地磁場的局部會有異常，海說神聊極自己也不并老是固定在一個處所。1900年，海說神聊極在加拿大境內，但一個宿世紀之后，它已經移至格陵蘭島四周。在曩昔的18年里，它以每年40千米的速度繼續標的目的東漂移，今朝正移標的目的西伯利亞。

地球磁場的怪異行為并沒有就此竣事。有時它還會反轉“變性”——海說神聊極變南極，南極變海說神聊極。所以，在地球汗青上，指南針紅箭頭好幾回指標的目的南極。您如果依靠指南針，那可真要背道而馳啦。

這一切是怎么回事？解開這個謎，對于領會我們這個星球的將來至關主要。

地球磁場是若何發源的？

固然我們中很少有人去過海說神聊極，但對于海說神聊極，我們并不目生。很多孩子都知道，那是圣誕白叟呆的處所。但海說神聊極不止一個：有地輿海說神聊極，那是地球自轉軸與球面訂交的處所；有地磁海說神聊極，那是地球磁場磁力線發出的處所；兩者并不重合。地輿海說神聊極是不會移動的，會移動的是地磁海說神聊極，本文談論的“海說神聊極”即指后者。

同樣，它在地球另一端的對應點叫地磁南極。地磁南極也并不像您想象的那樣位于南極中心，它也會移動。

幾個宿世紀以來，地磁場是若何發生的一向是個謎，傷透了良多科學家的腦子。愛因斯坦本人曾經認為，地磁場的發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年前初次提出，地磁場是由位于地球中間的帶電金屬液體，在地球自轉感化下扭轉發生的。這一機制被稱為“地球發電機”假說。

越來越多的證據證實，拉莫爾是對的。地質學家從地動波穿過地球內部時反射回來的旌旗燈號知道，地球內部有一個金屬核，它由兩部門構成，內核和外核。內核溫度高達6000℃，比太陽概況的溫度還略高。按理說，在這樣高的溫度下，金屬早就熔化當作液體了，但因為龐大的壓力，內核仍然是固體。外核則是熔融的鐵水，體積是月球的七倍之多。因為外核內與內核相鄰，外與地幔相鄰，存在兩個界面，表里界面有溫度差，意味著鐵水在不斷地對流。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，熔化當作鐵水，周而復始。金屬液體中布滿了電子，恰是這些移動的電荷發生了磁場。

錯綜復雜的地磁場

若是僅僅只有對流，地磁場的外形可能相對簡單。然而，地球自轉把工作搞復雜了。自轉的離心力會將對流中的鐵水往一個偏向甩，離心力巨細取決于流體在地球內部的位置。讓工作變得加倍麻煩的是，在分歧的處所，金屬液體的密度、粘度也都分歧。所有這一切加在一路，導致了一個錯綜復雜的湍流活動，由此形當作一個錯綜復雜的地磁場。

考慮到這一切，磁極在漂移不奇異，要驚奇的卻是磁極為什么沒有瘋狂漂移。對于這個問題，可以這樣回覆：因為這里所說的流體活動，都長短常遲緩的，是“慢鏡頭”，需要在數萬年的時候標準上去考慮。短時候內看起來，漂移不會“太瘋狂”。

磁極的漂移可用這種遲緩的湍流來詮釋。但接下來會發生什么還不清晰。海說神聊極會繼續移動嗎？會移多遠？會不會已處于反轉的邊緣了？這些問題很是值得我們去問，去研究。因為地磁場對于我們的保存至關主要。若是不是地磁場為我們修建了一副“磁盾牌”，幫忙我們偏轉了太陽風中的帶電粒子，地球上的生命早就撲滅了。此刻，天然也沒有人但愿它急劇漂移，俄然反轉。那這樣的話，我們將支出龐大的價格。

地磁場的記實者

領會地磁場將來的一個法子是回首它的曩昔。它的曩昔記實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，此中的晶體朝標的目的就會與那時本地的磁力線對齊，因為這些晶體內部含有磁性物質。于是，它們當作了地磁場的杰出記實者。經由過程讀取這些晶體，我們可以領會數百萬年前的地磁場。

這些記實表白了地磁場在整個地球汗青中何時削弱，何時增強，何時完全反轉的。我們此刻知道，在曩昔的8300萬年中，有過183次磁極反轉，比來一次發生在78萬年前。2019年，美國科學家約翰·塔杜多闡發了加拿大魁海說神聊克地域5.65億年前的磁性巖石，發現那時的磁場是今天的1/10——這是在地表測量到的有史以來最弱的地磁場。按照這一發現，他闡發得出結論：在5.65億年前，地球履歷了一個為時75000年的不不變期，在那段時候，地磁場極不不變，偏向和強度都在不斷轉變。

內核的形當作拯救了地磁場

這不僅再次證實了地球磁場萬萬年以來一向在轉變，并且揭示了早期地球的更多故事。有些時辰，地磁場看起來朝，幾乎瀕臨解體。若是這事真的發生了，復雜生命就不太可能在地球上呈現。

是什么阻止了這場災難？塔杜多的詮釋是，地球內部實心內核的形當作。

在降生之初，地球的整個核原本都是熔融的金屬，沒有表里核之分，演化到某個時候點，內部溫度較著下降，這導致對流活動減緩。對流減緩又導致地磁場減弱，幾乎消逝。但與此同時，另一個動力起頭啟動了：冷卻讓地球焦點最深處的元素起頭結晶，形當作固體內核。一些較輕的元素，例如硅和氧，從內核擠出，進入外核，使外核的底層物質密度降低，意味著更輕易浮到上層去，這為對流增添了新的動力。恰是這個動力，讓奄奄一息的地磁場從頭獲得了生氣。

塔杜多的研究還揭示，為什么地表從津巴布韋延長到智利的一塊地域，那邊的磁場今天很是弱——事實上，因為地磁場太弱，衛星在穿越其上空時，需要額外的庇護，不然，衛星上的電子設備就有被太陽風轟毀的危險。塔杜多和他的同事發現，在這片區域的地下，地磁場與地面是相反的，即指南針紅箭頭在地面指標的目的海說神聊極，而在地下，指南針紅箭頭卻指標的目的南極。正標的目的的地磁場被反標的目的的抵消，殘剩的磁場天然就很是弱了。這一發現半斤八兩令人震動。

塔杜多的團隊在良多處所都看到了地磁場異常的現象，甚至可將某些異常追蹤到地球外核中的流體活動。他們甚至可以按照記實，追蹤汗青上磁極反轉是若何發生的。

為地磁場成立電腦模子

除了在地表尋尋覓覓，科學家還試圖經由過程為地磁場成立電腦模子，來展望下一步將要發生什么。例如，美國加利福尼亞大學的加里·格拉茨梅爾等人從根基物理定律出發，為地磁場成立了一個電腦模子。當模子運行時，他們看到磁場強度若何隨時候和位置而轉變，還看到磁極的漂移，甚至反轉。這一切都合適我們在實際中看到的。

令人遺憾的是，今朝電腦模子還過于簡單，良多身分還無法考慮，良多現象還詮釋不了。

若是您想展望地表任何一個點的磁場偏向，工作就會變得加倍復雜。因為磁石集中的區域反過來也會影響到本地的磁場，造當作磁力線的偏離。這就是為什么指南針在加利福尼亞州和其他很多處所不克不及直接指標的目的海說神聊極的原因。

在什物模擬地磁場

也許我們需要一個更實際的模子——什物模子，而不是電腦模子。說到地核的什物模子，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鈉球更令人印象深刻了。

化學教員告訴您，鈉是一種很難處置的金屬，在潮濕的空氣中輕易自燃，即使很少的量，也很危險，所以凡是保留在火油中。

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米的液態鈉球。整個裝配重20噸。在鈉球中間，有一個直徑1米的實心金屬芯，能自力地以15次/秒的速度扭轉，用以模擬地球內核，液態鈉球則模擬外核。分布在外概況的31個磁強計，用于測量發生的磁場。因為這個模子的焦點比現實地核要小得多，他不得不消導電機能比鐵更好的金屬鈉以及更快的扭轉速度來抵償：當半斤八兩于地球外核的液體鈉球全速動彈時，速度能達到每秒扭轉4次。

經由過程嘗試，萊思羅普的團隊證實，液態金屬鈉的湍流可以或許維持并放大磁場，這證實了拉莫爾的地球發電機假說確實合適事實。然而到今朝為止，他們還沒法子讓磁場自覺地發生。

什么叫讓磁場自覺地發生？本來按照地磁場的形當作理論，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，然后顛末“地球發電機”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，正負電荷的電量應該相等。但正負電荷原本是混在一路的，它們若是不分隔，是不會發生任何磁場的，所以必得先有一個“種子”磁場，讓正負電荷在活動時朝分歧偏向偏轉，才能將其分隔。而地球的這個“種子”磁場又是經由過程此外機制自覺發生的。

遺憾的是，萊思羅普的嘗試不克不及自覺地發生“種子”磁場，這個磁場“種子”需要報酬地添加進去。

2018年，有德國科學家提出，地磁場的自覺發生，可能源于地球的進動。所謂進動，就是一個自轉物體受外力感化之后，其自轉軸又繞某一中間扭轉的現象。因為太陽與月亮的引力感化，地球的自轉軸在地球繞太陽公轉時，并不老是連結在空間的統一偏向上，其自轉軸同時又繞著公轉軸扭轉。這種進動以大約25700年的周期在空間描畫出一個圓錐面，錐面的頂角為23.5°。

為了摸索地磁場自覺發生的機制，德國德累斯頓正在扶植一個更大的嘗試裝配，它包羅一個裝有8噸液態鈉的圓筒。圓筒將繞其長軸每秒扭轉10次，長軸自己又繞另一條軸每秒扭轉1次，以模擬地球的進動。

所有這些盡力都是值得我們支出的。起首，從小的方面來說，若是知道了地磁場是若何轉變的，我們可以提前預防，庇護電網免受太陽風暴的影響。從大的方面說，在極端環境下，地球也可能會完全掉去地磁場——就像40億年前在火星上發生的那樣——從而釀成不毛之地。我們不要把地球此刻擁有的地磁場視為理所當然，我們要清晰，南北極是會漂移的，地磁場是可能會掉去的。

發表于 2020-01-06 02:00
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