http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2014-07-04
地磁减弱的那些事儿
文·本报记者 王婷婷 综合报道
图一地球的磁场向太空绵延约58000千米。导电的地核就好比是一个巨大的电磁铁，地球磁场就是它在旋转过程中产生的。
图二由3颗卫星组成的“蜂群”卫星群产生的第一组高分辨率结果显示，地球磁场正变得越来越弱，但变弱水平很低。
被称为“地球保护膜”的地球磁场在150年中减弱了近10%，甚至在一些地方出现了“漏洞”，这些变化预示着什么，地磁会不会发生逆转……
在丹麦哥本哈根举行的第三届“蜂群”科学会议上，欧洲航天局报告，由3颗卫星组成的“蜂群”卫星群产生的第一组高分辨率结果显示，地球磁场正变得越来越弱，但变弱水平很低。
蜂群卫星群2013年11月发射升空，为科学家了解地球磁场的复杂运作提供了空前的信息。这些数据将帮助科学家更好地了解地球磁场是如何运作的、太阳活动对它产生怎样的影响以及大片地球磁场正在变弱的原因。
在接下来几个月内，科学家会分析这些数据，根据地幔、地壳、海洋、电离层和磁气圈等来源了解磁场作用。这会为科学家了解从发生在地球深处的事件到太阳活动引发的太空天气等许多自然过程提供新线索。
巨大的“气泡”
地球表面的保护膜
地球的磁场向太空绵延约58000千米。导电的地核就好比是一个巨大的电磁铁，地球磁场就是它在旋转过程中产生的。由于地核的体积极大，温度和压力又相对较高，使地层的导电率极高，使得电流就如同存在于没有电阻的线圈中，可以永不消失地在其中流动，这使地球形成了一个磁场强度较稳定的南北磁极。
但是，电子的分布位置并不是固定不变的，并会因许多的因素影响下会发生变化，再加上太阳和月亮的引力作用，地核的自转与地壳和地幔并不同步，这会产生一强大的交变电磁场，地球磁场的南北磁极因而发生一种低速运动，这种运动的积累将造成地球的南北磁极逆转。
磁场形成了一个泪珠形状的气泡保护在地球表面，从而对地球上的生物形成保护膜，保护人类免遭连续轰击地球的宇宙射线和带电粒子的伤害。
如果地球磁场发生变化，同时受到伤害的还有围绕地球旋转的成千上万颗卫星和其他航空器，失去地球磁场的保护，它们将赤裸裸地受到外太空高能量辐射的侵害，从而变得非常脆弱。
变化！
150年里，地球磁场减弱了近10%
通过蜂群卫星过去6个月获得的测量结果证实地球磁场变弱的总趋势，同时显示西半球磁场减弱最为明显。
在印度洋南部等一些地区，磁场从1月以来持续增强，但地球磁场的总趋势是在变弱。此外，最新测量值还确认磁场向北朝西伯利亚方向运动的事实。这些变化以源自地核的磁场信号为基础。有数据显示，在过去的150年里，地球的磁场已经减弱了近10%。
另外通过对1980年到2000年的地球磁场研究发现，地球磁场存在很大的地理差异：在亚洲、太平洋地区磁场变化较小，非洲、欧洲和大西洋的变化非常大，变化最大的地区是非洲南端，在这个地区的磁场极性与正常的极性刚好相反。
大西洋南部磁场特别虚弱
在欧洲航天局的观测中，大西洋南部磁场显得特别虚弱，这里被称为南大西洋磁场异常区。早在6年前，就有研究指出这一地区的磁场仅为一般磁场的三分之一，这意味着地球的磁场保护在该地区已经出现了凹陷。而南大西洋上空的卫星暴露在强辐射中时，地球磁场的这种异常就会给它们造成一些小故障或“小难题”。
对于南大西洋的磁场异常，科学家分析，南大西洋和北冰洋下方的液体金属地核可能出现了巨型涡流，从而影响了其上空的磁场。由于巨型涡流的力量足以逆转其他涡流的方向，因此极有可能令地磁场南北极就此开始大逆转。
与气候变暖或有关联
2011年，吉林大学地球探测科学与技术学院杨学祥教授等人发表的科研论文称，地磁减弱的原因在于两极冰盖融化导致地壳和地幔转动惯量减少自转加快，由此引发核幔差异旋转在数值和方向上的改变。在磁场减弱和磁极反向过程中，太阳辐射的增强和核幔热能的释放与灾害有一一对应关系。
地球历史表明，强地磁场对应地球的寒冷气候，如第四纪冰期；弱地磁场对应高温气候，如中生代的温暖期。地磁场减弱也是全球变暖的原因之一：地磁场减弱导致更多太阳能量进入地球。
2013年，来自日本的一项研究也印证了这个观点。日本海洋研究开发机构的研究小组发现，冰盖大小出现变化后，地球自转速度就会受到影响。为了调查地球自转速度变化与地球磁场变化的关系，研究小组利用计算机模型推算发现，地球磁场强度会随地球自转速度的变化而变化。即使自转速度只有2%的变化，磁场强度的变化会达到20%至30%。
这一研究成果显示，地球磁场会受到气候变化的长期影响。研究人员认为，由于全球气候在变暖，冰盖正在不断减少，虽然规模还相当小，但是地球的自转速度和磁场强度有可能相应出现变化。
逆转？
地球磁性曾在78万年以前逆转
在地质勘测中，研究火山岩和沉积物中的金属粒子，能够了解的远古时代的地球磁场，许多国家已经从这类研究中查到了地磁逆转的证据。研究发现，磁场在最近600万年间发生了三次翻转，而这三次的间隔时间不等。
有研究显示，最近一次引起磁场巨大变化的是在78万年以前磁性逆转过程中产生的。当南北磁性倒转后，确立新的磁极需要一段时间，而磁性也将经过很长的一段时间才能恢复，因此地球的磁场就会相应地减弱。
地磁减弱预示下一次逆转即将发生？
地磁逆转是在很长的时间尺度上发生的，发生逆转前，磁力会急剧减弱，甚至出现零磁场，就是说磁场衰减是翻转过程中的一种现象。近年来的一些研究表明，下一次磁性逆转即将发生。
我国从事地球动力学和自然灾害研究的学者曾在接受媒体采访时指出，目前有些地区地磁场的强度确实有下降的趋势，但是否意味着磁场的强度还会持续降低，是否意味着地磁将要在未来千百年的尺度内翻转，科学家还存在争议，需要继续观测和深入研究。
延伸阅读
太阳每隔11年完成一次磁极倒转
每隔11年，太阳就会经历一次完全的磁极倒转，此时太阳的南北磁极就会颠倒过来。这一过程将会对整个太阳系产生影响。
尽管目前我们还无法理解这一过程发生的内部机制，但美国斯坦福大学维尔克斯太阳观测台的研究人员自从1975年以来一直坚持每天对太阳磁场情况进行记录和监视。自从观测记录开始以来，这将是四次记录到太阳磁极倒转事件。
每一个磁极倒转的开端都可以从太阳黑子的行为上体现出来。太阳黑子是太阳表面的强磁场区，当一个磁极倒转周期开端之时，黑子会在接近太阳赤道的区域出现。在大约1个月的时间内，这些太阳黑子会逐渐解体并从赤道向两极移动。
托德·何塞马(Todd Hoeksema)自从1978年以来便一直在斯坦福工作，现在是维尔克斯太阳观测台的台长。他指出，当这些带有新磁极特征的黑子抵达极区，它就会抵消原有的磁场极性。此时太阳的磁场逐渐趋向于消失，随后再次反弹增强，并完成一次太阳磁极反转过程。何塞马表示：“这就有点像是大海中的潮起潮落。每一次小的潮头都会带来更多的水量，但最后全都会退去。”
太阳发生磁极倒转产生的影响是深远的：太阳磁场影响的空间范围构成一个巨大的气泡状结构，被称作“日球层”，其延伸一直要到冥王星轨道之外，目前美国宇航局的旅行者号飞船刚刚通过这一太阳系边缘区域。另外，太阳活动的高峰期一般同样发生在其发生磁极转变的时期，在此期间除了黑子数量增加之外，太阳耀斑和日冕物质抛射(CME)同样是非常频繁的。
当然，太阳磁极的转变以及太阳带电粒子的爆发对于地球也会产生影响。当大量来自太阳的带电粒子轰击地球高层大气时，便会出现美丽的极光现象。太阳活动的强弱也将对地球上的供电网络，卫星以及GPS定位系统等产生不同程度的影响。为此，科学家们必须不间断地对太阳活动和空间天气状况开展连续监视。何塞马表示：“我们也会考察这一事件对其他行星产生的影响。木星上会出现风暴，土星上出现极光，这些都会受到太阳活动的影响。”
[中科网-科技日报]
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