地球的磁極緣何會反轉(zhuǎn)
每隔一段時間，地球的磁極就會完全反轉(zhuǎn)，這是何故？這又如何影響地球上的生物？
圖解：地球磁場的藝術(shù)化圖景；
圖源： Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images
宇宙中的地球，是個由巖石和水組成的綠洲。地球之所以是生命繁衍的理想之地，是多個因素作用的結(jié)果。
地球和其母星太陽的距離適中，使得液態(tài)水能夠在表面存在。太陽系中許多行星也擁有巨大的引力場，使得我們遇上小行星碰撞等災難事件的概率下降。此外同樣很重要的一點是，地球的磁場像屏障一樣環(huán)繞并保護著地球，使我們免受劃過太空的帶電粒子的傷害。
地球的磁場是由外核中熔融金屬物質(zhì)的復雜流動產(chǎn)生的，其流動受到地球自轉(zhuǎn)和固態(tài)鐵核的影響，最終產(chǎn)生了一個偶極磁場，其方向大致與地球的自轉(zhuǎn)軸一致。
古地層中的鐵礦石中暗含著古時候地磁場的痕跡，通過研究這些痕跡我們可以發(fā)現(xiàn)地球磁場的方向隨著時間流逝而不斷變化。這些鐵礦石是由富含鐵元素的巖漿冷卻而形成的，而在冷卻過程中，其中的每個鐵磁性顆粒都像小磁針一樣被當時的地磁場拉拽，并指向當時的地磁北極。古地磁場的方向就這樣被礦石記錄下來了，對其進行的研究就位于“古地磁學”的范疇內(nèi)。
古地磁學研究表明：在地球的歷史中，地磁場的方向多次偏移，甚至曾經(jīng)多次兩極反轉(zhuǎn)。但為什么會這樣呢？
地磁極為何反轉(zhuǎn)
地磁場的變化非常普遍，在數(shù)毫秒的短時間內(nèi)會微微小變，在數(shù)百萬年內(nèi)的長時間內(nèi)也會緩緩大變。前者可由太空中的帶電粒子和地磁場之間的相互作用引起，而后者——程度大但是緩慢的變化，則是由地球液態(tài)外核的演變引起的。
“地磁場的長期變化歸因于液態(tài)外核中物質(zhì)的對流，以及磁場在地核、地幔中的傳播?！钡厍蛭锢韺W家萊昂納多·薩格諾蒂（Leonardo Sagnotti）說道。
由外核中金屬物質(zhì)運動引起的磁場變化曾導致地磁場兩極的完全反轉(zhuǎn)。古地磁學研究認為，地磁場有兩種可能的狀態(tài)——其一是當前的地磁場所處于的“正?！睜顟B(tài)，磁力線從北極附近穿入地球并從南極附近穿出；其二是將南北磁極顛倒過來的狀態(tài)，這個狀態(tài)也同樣穩(wěn)定且可能出現(xiàn)。
古地磁學研究亦表明，地磁場兩極的反轉(zhuǎn)不是周期性的，其出現(xiàn)時機無法預測，這主要歸因于它的產(chǎn)生機理。
“地球外核中的液體（主要是熔融鐵）的流動是紊亂的，存在湍流。地磁極反轉(zhuǎn)發(fā)生在地磁場強度低的時期，在此期間，地磁場強度急劇下降，并變得不穩(wěn)定。”薩格諾蒂說。
地磁極反轉(zhuǎn)的過渡期在地質(zhì)學尺度上似乎只有一剎那（遠低于地質(zhì)學分辨率），持續(xù)時間可能只有幾千年。
圖解：地球周圍磁場的樣子，橙色和藍色線條分別描繪磁北極和南極附近磁力線；
圖源：美國宇航局/戈達德太空飛行中心科學可視化工作室
地磁極反轉(zhuǎn)如何影響生物
地磁極反轉(zhuǎn)的先兆是其強度的減弱，這會導致太陽風和宇宙射線（以帶電粒子的形式）在更大程度上進入地球的大氣圈。最近的一項研究表明，在大約41,000年前發(fā)生的拉斯錢普(Laschamp)時期，即一個較近的地磁場強度較弱的時期，大氣圈頂部接受的輻射量比現(xiàn)在的值高出了三倍。
目前尚沒有證據(jù)表明地球生物大規(guī)模滅絕與地磁極反轉(zhuǎn)之間存在顯著相關(guān)性。無獨有偶，地磁場強度的減弱和物種滅絕率或新物種形成率的變化之間的相關(guān)性研究，也因這些事件在時間尺度上不適配而受到阻礙。
實際上，地磁反轉(zhuǎn)在地質(zhì)時間尺度上頻繁發(fā)生（在過去的1.6億年中發(fā)生了數(shù)次），而記錄的大規(guī)模滅絕事件發(fā)生在每億年左右（頻率低得多）。
就人類文明而言，令人擔憂的并不是磁極的偏移，而是隨之而來的地磁場強度的減弱。人類社會越來越依賴現(xiàn)代科技，各國政府和國際組織應當嚴肅考慮地磁場減弱的影響。
“在這種情況下，帶電粒子未能被地磁場阻隔而進入近地空間的頻率將顯著增加，這對我們的現(xiàn)代社會有重大影響?！彼_格諾蒂補充說。
“我們的星球和文明所面臨的這個風險，影響人類社會的方方面面，其可能對商業(yè)、安全、通信、電力基礎(chǔ)設(shè)施、衛(wèi)星以及近地軌道上的人們產(chǎn)生嚴重的影響。不幸的是，地磁場變化或反轉(zhuǎn)的發(fā)生似乎是隨機的，意味著我們無法準確預測此類事件的發(fā)生時機，我們唯一知道的是這肯定會發(fā)生。”
BY: Conor Feehly
FY: 浪漫主義學派
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