生靈有倒懸之急？地磁反轉(zhuǎn)的真相

自 19 世紀(jì)初探險(xiǎn)家首次精確定位以來，磁北極一直在向北爬行 —— 超過 600 英里 (1100 公里)。事實(shí)上，它現(xiàn)在移動(dòng)得更快了，科學(xué)家估計(jì)，北極每年向北移動(dòng)約 40 英里，而非 20 世紀(jì)初的每年 10 英里。我們需要接受一個(gè)事實(shí)，地球的南北極正在發(fā)生改變，也許直到有一天迎來地磁的反轉(zhuǎn)。乍一聽，造物主仿佛真的要把地球生物“倒懸”，然而這會(huì)是人類文明頭上新的達(dá)摩克斯之劍嗎？

01 什么是地球磁場？

地磁場，產(chǎn)生于是地球內(nèi)部的天然磁性現(xiàn)象。地球的正常磁場約占地球磁極的 99%，類似于一個(gè)磁偶極（magnetic dipole）：其中一極在北極附近，另一極在南極附近。與經(jīng)典的條形磁鐵或冰箱上的裝飾性磁鐵不同，控制地球磁場的物質(zhì)是四處移動(dòng)的，故而又產(chǎn)生了剩余的 1%—— 外源磁場和磁異常。在地球誕生之初就存在地磁與地磁力，現(xiàn)代物理學(xué)也將磁力認(rèn)為是是統(tǒng)治物理宇宙的四大基本物理力之一。

但地球磁場從何而來？這一懸而未決的問題，困擾著理論物理學(xué)者的研究，也動(dòng)搖著地球物理學(xué)的地基大廈。為了回答這一問題，科學(xué)家們先后提出了永磁體學(xué)說、內(nèi)部電流學(xué)說、電荷旋轉(zhuǎn)學(xué)說等等，最終被廣泛接受的是電磁感應(yīng)學(xué)說又稱發(fā)電機(jī)學(xué)說。

天文學(xué)家 Larmor 通過對太陽的觀測提出：“內(nèi)部循環(huán)運(yùn)動(dòng)有可能以自激發(fā)電機(jī)的循環(huán)方式起作用，并以內(nèi)部循環(huán)的一些能量為代價(jià)，保持磁場永久持續(xù) ^[1]?！?這一觀點(diǎn)后來被利用于地磁場的研究，并開始逐漸發(fā)展為發(fā)電機(jī)理論：地球可通過其外核區(qū)域內(nèi)液態(tài)鐵的流動(dòng)，將地磁場不斷的放大直至如今的狀態(tài)。而要維持住這樣的地磁場，其能量的來源是內(nèi)核與地幔的溫度差所導(dǎo)致的熱對流。簡單來說，地磁是因?yàn)榈厍虻墓腆w鐵芯被熱的液態(tài)金屬組成的流體海洋所包裹而形成的 —— 液態(tài)鐵在地核的流動(dòng)中產(chǎn)生電流，進(jìn)而產(chǎn)生磁場。發(fā)電機(jī)學(xué)說（又稱磁流體發(fā)電機(jī)學(xué)說）在觀測、實(shí)驗(yàn)和理論研究上相對于其他的學(xué)說都得到了較多的證實(shí)，成為目前地球物理學(xué)比較認(rèn)可的觀點(diǎn)。

02 地磁反轉(zhuǎn)是規(guī)律，而非例外

近些年的觀測發(fā)現(xiàn)地球上存在著部分磁場異常區(qū)，科學(xué)界普遍認(rèn)為這是地球磁場發(fā)生重大偏移甚至翻轉(zhuǎn)的前兆。地球區(qū)域內(nèi)磁場強(qiáng)度在不斷的減弱，并且衰減速度近十年來快速增長，比如南大西洋地磁異常區(qū)每年的衰減速度是其他異常區(qū)的十倍之多。同時(shí)其他地磁異常區(qū)本身的面積也有擴(kuò)大的趨勢。一時(shí)之間，地磁反轉(zhuǎn)的恐慌引發(fā)全球關(guān)注，甚至許多世界末日論者認(rèn)為地磁的“異?！弊兓赡軐?dǎo)致地球毀滅。

其實(shí)與我們?nèi)粘Ｉ钪械母兄喾矗卮欧D(zhuǎn)是規(guī)律而非例外?？茖W(xué)家估計(jì)，在過去的 30 億年里，至少發(fā)生過數(shù)百次逆轉(zhuǎn)。如果你生活在大約 80 萬年前，手里拿著指南針，面向我們所說的北方，指針就會(huì)指向“南方”。在過去的 2000 萬年里，地球進(jìn)入了大約每 20 萬到 30 萬年一次磁極反轉(zhuǎn)的模式。在漫長的地質(zhì)歷史里，變化才是永恒的。

距離人類最近的一次長時(shí)間地磁場反轉(zhuǎn)是“布容尼斯-松山倒轉(zhuǎn)”，發(fā)生在 78 萬年前；地磁場兩極反轉(zhuǎn)持續(xù)了大概 2 萬年。不過，并非所有的地磁場反轉(zhuǎn)都會(huì)持續(xù)上萬年，有時(shí)地磁場會(huì)在短時(shí)間發(fā)生兩次反轉(zhuǎn)，地質(zhì)學(xué)上稱為“地磁漂移”。比如 4.1 萬年前的 Laschamps 地磁反轉(zhuǎn)，整個(gè)過程只持續(xù)了 1000 年，其中兩極反轉(zhuǎn)的時(shí)間僅持續(xù)了 250 年。我們通過地磁變化的數(shù)據(jù)不難看出：磁極倒轉(zhuǎn)在地質(zhì)時(shí)間尺度上是一種常見的現(xiàn)象，但這在人的壽命尺度內(nèi)實(shí)際上是比較難以遇到的；同時(shí)，地磁反轉(zhuǎn)是一個(gè)發(fā)生在數(shù)百年或數(shù)千年里的緩慢過程，并不是一次性的徹底的翻轉(zhuǎn)，因而也是在一定程度上可以預(yù)測的。如果說地磁翻轉(zhuǎn)有何影響？現(xiàn)在看起來，磁羅盤制造商會(huì)比較期待這一新的商機(jī)的到來。但是不能否認(rèn)的是，我們?nèi)祟惾詫Φ厍蛑跎?，我們不得不防范一些風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)，哪怕他的概率很小。

03 地磁翻轉(zhuǎn)的影響

對人類最重要的地球資源是什么？很多人第一反應(yīng)是水或者氧氣，很少有人提及地磁，但其實(shí)地磁的作用遠(yuǎn)超出公眾的想象。由于太陽風(fēng)中含有大量的高能帶電粒子，因此會(huì)受到磁場的影響而繞開地球，如果地球磁場消失，那么高能帶電粒子會(huì)進(jìn)入大氣層，這會(huì)給地球生物帶來毀滅性的打擊。地磁場不僅如護(hù)盾一般保護(hù)著人類的生存與發(fā)展，它還是眾多現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基石。隨著指南針傳入西方世界，地磁場便為人類的航海事業(yè)提供了無比重要的幫助，同時(shí)也促進(jìn)了眾多科技的發(fā)展 —— 地磁場的相對穩(wěn)定性也是其成為信息交流的載體的重要原因。

出于對地磁場的關(guān)心，一些謹(jǐn)慎的科學(xué)家開始提醒大家關(guān)注地磁翻轉(zhuǎn)的危害。阿德萊德大學(xué)的 Cooper (2) 等人對新西蘭沼澤貝殼杉樹的放射性碳記錄與地磁極性轉(zhuǎn)換前后的磁場強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)性分析，并使用超級計(jì)算機(jī)模擬了大約 41000 年前 Laschamps 地磁逆轉(zhuǎn)的后果。他們發(fā)現(xiàn)，地磁場減弱影響大氣層對太陽光的吸收，導(dǎo)致氣候巨變，使得當(dāng)時(shí)地球氣溫降低，最終導(dǎo)致澳大利亞多種大型哺乳動(dòng)物滅絕，如長毛猛犸象、巨型袋熊等。這一研究證實(shí)了地磁場反轉(zhuǎn)曾推動(dòng)物種滅絕，很多人擔(dān)心相同的悲劇會(huì)發(fā)生在人類身上。同時(shí)，Alanna Mitchell 在她的著作《The Spinning Magnet》中也警告到：“the force that created the world, and could bring about its end”。如果地磁場位置與強(qiáng)度的穩(wěn)定性不復(fù)存在，那么等待地球的是一個(gè)沒有電網(wǎng)和電子通信的未來。這對現(xiàn)代社會(huì)來說將是如同“世界末日”般的打擊。

如果地磁反轉(zhuǎn)發(fā)生，確實(shí)會(huì)帶來生態(tài)災(zāi)難，這點(diǎn)其實(shí)無需論證。但問題在于地磁翻轉(zhuǎn)是否發(fā)生？何時(shí)發(fā)生？會(huì)在人類文明的尺度內(nèi)發(fā)生嗎？

結(jié)語：

人類社會(huì)確實(shí)面臨著“倒懸”，但遠(yuǎn)沒有達(dá)到“急”的程度。人始終要面對確定發(fā)生的困境，而非挑戰(zhàn)虛無縹緲的對手。目前的觀測技術(shù)和預(yù)測手段其實(shí)并不能證實(shí)地磁翻轉(zhuǎn)即將發(fā)生的緊迫性，我們腦補(bǔ)的危機(jī)感也許只會(huì)發(fā)生在科幻小說里。與其焦慮地磁反轉(zhuǎn)可能帶來的世界末日，不如減少精神內(nèi)耗，找到觀測地磁變化的新方法。

過度焦慮未來會(huì)變得悲觀！

參考文獻(xiàn)

• 1.  J. Larmor, in A Source Book in Astronomy and Astrophysics, 1900–1975, R. L. Kenneth, G. Owen, Eds. (Harvard University Press, Cambridge, MA and London, England, 1979), pp. 106-107.

• 2.  A. Cooper et al., A global environmental crisis 42,000 years ago. Science 371, 811-818 (2021).

本文來自微信公眾號(hào)：石頭科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：邵靜瑩，美編：劉俞伶

廣告聲明：文內(nèi)含有的對外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時(shí)間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。