地球的磁極緣何會(huì)反轉(zhuǎn)
每隔一段時(shí)間，地球的磁極就會(huì)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(chǎng)的藝術(shù)化圖景；
圖源： Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images
宇宙中的地球，是個(gè)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(gè)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(chǎng)，使得我們遇上小行星碰撞等災(zāi)難事件的概率下降。此外同樣很重要的一點(diǎn)是，地球的磁場(chǎng)像屏障一樣環(huán)繞并保護(hù)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(chǎng)是由外核中熔融金屬物質(zhì)的復(fù)雜流動(dòng)產(chǎn)生的，其流動(dòng)受到地球自轉(zhuǎn)和固態(tài)鐵核的影響，最終產(chǎn)生了一個(gè)偶極磁場(chǎng)，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(shí)候地磁場(chǎng)的痕跡，通過研究這些痕跡我們可以發(fā)現(xiàn)地球磁場(chǎng)的方向隨著時(shí)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(gè)鐵磁性顆粒都像小磁針一樣被當(dāng)時(shí)的地磁場(chǎng)拉拽，并指向當(dāng)時(shí)的地磁北極。古地磁場(chǎng)的方向就這樣被礦石記錄下來了，對(duì)其進(jìn)行的研究就位于“古地磁學(xué)”的范疇內(nèi)。
古地磁學(xué)研究表明：在地球的歷史中，地磁場(chǎng)的方向多次偏移，甚至曾經(jīng)多次兩極反轉(zhuǎn)。但為什么會(huì)這樣呢？
地磁極為何反轉(zhuǎn)
地磁場(chǎng)的變化非常普遍，在數(shù)毫秒的短時(shí)間內(nèi)會(huì)微微小變，在數(shù)百萬年內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)也會(huì)緩緩大變。前者可由太空中的帶電粒子和地磁場(chǎng)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(chǎng)的長(zhǎng)期變化歸因于液態(tài)外核中物質(zhì)的對(duì)流，以及磁場(chǎng)在地核、地幔中的傳播?！钡厍蛭锢韺W(xué)家萊昂納多·薩格諾蒂（Leonardo Sagnotti）說道。
由外核中金屬物質(zhì)運(yùn)動(dòng)引起的磁場(chǎng)變化曾導(dǎo)致地磁場(chǎng)兩極的完全反轉(zhuǎn)。古地磁學(xué)研究認(rèn)為，地磁場(chǎng)有兩種可能的狀態(tài)——其一是當(dāng)前的地磁場(chǎng)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(gè)狀態(tài)也同樣穩(wěn)定且可能出現(xiàn)。
古地磁學(xué)研究亦表明，地磁場(chǎng)兩極的反轉(zhuǎn)不是周期性的，其出現(xiàn)時(shí)機(jī)無法預(yù)測(cè)，這主要?dú)w因于它的產(chǎn)生機(jī)理。
“地球外核中的液體（主要是熔融鐵）的流動(dòng)是紊亂的，存在湍流。地磁極反轉(zhuǎn)發(fā)生在地磁場(chǎng)強(qiáng)度低的時(shí)期，在此期間，地磁場(chǎng)強(qiáng)度急劇下降，并變得不穩(wěn)定?！彼_格諾蒂說。
地磁極反轉(zhuǎn)的過渡期在地質(zhì)學(xué)尺度上似乎只有一剎那（遠(yuǎn)低于地質(zhì)學(xué)分辨率），持續(xù)時(shí)間可能只有幾千年。
圖解：地球周圍磁場(chǎng)的樣子，橙色和藍(lán)色線條分別描繪磁北極和南極附近磁力線；
圖源：美國(guó)宇航局/戈達(dá)德太空飛行中心科學(xué)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(qiáng)度的減弱，這會(huì)導(dǎo)致太陽風(fēng)和宇宙射線（以帶電粒子的形式）在更大程度上進(jìn)入地球的大氣圈。最近的一項(xiàng)研究表明，在大約41,000年前發(fā)生的拉斯錢普(Laschamp)時(shí)期，即一個(gè)較近的地磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱的時(shí)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(dú)有偶，地磁場(chǎng)強(qiáng)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(shí)間尺度上不適配而受到阻礙。
實(shí)際上，地磁反轉(zhuǎn)在地質(zhì)時(shí)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?jī)|年左右（頻率低得多）。
就人類文明而言，令人擔(dān)憂的并不是磁極的偏移，而是隨之而來的地磁場(chǎng)強(qiáng)度的減弱。人類社會(huì)越來越依賴現(xiàn)代科技，各國(guó)政府和國(guó)際組織應(yīng)當(dāng)嚴(yán)肅考慮地磁場(chǎng)減弱的影響。
“在這種情況下，帶電粒子未能被地磁場(chǎng)阻隔而進(jìn)入近地空間的頻率將顯著增加，這對(duì)我們的現(xiàn)代社會(huì)有重大影響?！彼_格諾蒂補(bǔ)充說。
“我們的星球和文明所面臨的這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，影響人類社會(huì)的方方面面，其可能對(duì)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(yán)重的影響。不幸的是，地磁場(chǎng)變化或反轉(zhuǎn)的發(fā)生似乎是隨機(jī)的，意味著我們無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)此類事件的發(fā)生時(shí)機(jī)，我們唯一知道的是這肯定會(huì)發(fā)生?！?/p>
BY: Conor Feehly
FY: 浪漫主義學(xué)派
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