地磁场倒转是怎么回事？
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撰文 | 张大文、颜茂都、燕妮、刘晓倩 作者单位 | 枣庄学院旅游与资源环境学院 中国科学院青藏高原研究所
好莱坞科幻大片《地心抢险记》讲述了这样的故事：某一天，世界各地接连出现奇怪现象——鸽子迷失方向四处乱撞、金门大桥被高温熔断、罗马竞技场遭受密集雷电轰击、航天飞机导航失灵……一时间，世界陷入混乱，人类命悬一线。
关键时刻，天才的地球物理学家凯斯探明真相：一切都是因为地球的液态外核停止转动，导致地球磁场的消失。随后，旨在拯救地球的计划迅速启动，救援小组乘坐“打洞机”进入地核内部令其重新转动，末日危机才最终解除。影片所描绘的景象是如此骇人，令人不禁猜想：未来地球磁场会有出bug的一天吗？有什么依据能帮我们做出判断？在回答这些问题之前，我们得知道，磁场的作用是什么。
科幻电影《地心抢险记》中金门大桥被太阳风暴熔断丨图片来源：好看视频
磁场，是地球直面挑战的气场
地磁场起源于地球的心脏——地核，地球的外核充满了以铁镍为主要成分的流体。在地球内核和地幔大于两千多度的温度差异下，这些带电流体昼夜不停地进行对流运动，由于电磁感应，产生了地磁场。
地球内核温度高达6000摄氏度，与地幔层之间存在着巨大温差，从而刺激“热量运动”。丨图片来源：文献[2]
地磁场经由近3000公里厚的地幔和地壳到达地面，再穿越生物圈和大气圈等地球系统圈层，一直延伸至太空，形成磁层。磁层既能有效阻挡宇宙射线入侵，避免其对地球生物的杀伤性损害，也能保护地球上生命赖以生存的水和大气层。有研究表明，地磁场已存在了35亿年或更久，恰好与地球上生命诞生的时间相符。不过，来自地磁场长久的守护也会有懈怠的时候，典型的例子便是地磁场的南、北极对调，即地磁场极性发生倒转，这是最显著的变化特征之一。
作为地球生命的“隐形护盾”，地磁场使得地球免受太阳风（高能带电粒子流）的侵害丨图片来源：veer图库
南不南，北不北
地球的磁场并非亘古不变。在地质历史时期，地磁场的方向一直在发生变化，最受关注的是地磁场极性倒转。自显生宙（也即“看得见生物”的年代，距今约5.4亿年前）以来，地磁场经历了数百次极性倒转，并且其倒转频率变化不一。过去500万年以来，地磁场平均倒转约4-5次/百万年；在恐龙繁盛的侏罗纪时代，地磁场倒转非常频繁，可达7次/百万年。
此外，也存在长期（可达千万年）单一的稳定极性期，这一时期被称为“超静磁带”。其中，在约1亿2千600万年至8千400万年之间的地质时期，通常被认为是稳定的正极性时期，持续时间超过4000万年之久，称为“白垩纪超静磁带”。然而，最新的精细古地磁学和年代学研究表明，在这个所谓的白垩纪超静磁带期间，也可能发生过至少7次的短期负极性事件，表明该时期似乎并不是原来认为的稳定单一极性，这一时期也经历了频繁的极性倒转。
上图：过去1亿5500万年以来地磁场极性倒转序列（黑色表示与现代磁场方向一致的正极性带；白色表示与现代方向相反的负极性带；图片修改自文献[3]）
中图：白垩纪超静磁带期间的记录
下图：全球多地（红、黄、绿点）海洋和陆地记录表明白垩纪超静磁带期间可能存在多期次极性倒转事件（图片修改自文献[4]）
除了倒转频率，对于地磁场极性倒转的快慢，也就是地磁场完成一次极性转换所需要的时间多长，科学界还没有定论。不过，来自全球不同纬度地区的海洋沉积物记录显示，地磁极性倒转持续的时间从几千年到数万年不等，平均约7000年。
那么，为什么会发生极性倒转呢？其实，关于地磁场起源及其极性倒转的原因（机理）一直是地球科学研究的前沿领域之一。
2005年国际著名学术期刊《科学》（Science）纪念创刊125周年时，总结了人类面临的125个最重要的前沿科学问题，其中之一便是“地磁场极性为什么会发生倒转”。无独有偶，2020年5月，美国国家研究理事会发布地球科学十年战略规划《时域地球：美国国家科学基金会地球科学十年远景（2020-2030）》，将“地球的内部磁场是如何产生的”列为12个引人瞩目的优先科学问题之一。
近日，为纪念建校125周年，上海交通大学与《科学》杂志联袂策划发行“新125个科学问题”——《125个科学问题：探索与发现》，再次将“是什么创造了地球的磁场（为什么它会移动）”列为科学界重要的基础性问题之一。遗憾的是，目前科学家尚不确定地磁倒转是如何发生的。现有的计算机模拟研究显示，地核中的流体运动以及核幔边界的热量长期变化可以引起地磁场倒转。另外，板块构造运动对地幔对流的扰动也会对地磁倒转的频率产生影响。
地磁场南、北极性对调一下，本身并不是可怕的事，问题在于地磁场发生倒转的过程中。
大量研究表明，在一次地磁场极性倒转发生之前，地磁场强度首先减弱。在极性转换期间，地磁场强度则会进一步减弱80%-90%，甚至接近于0。地磁场强度的显著减弱意味着其对地球生物圈的保护能力降低，宇宙射线等高能粒子更易到达或“倾倒”至地表，对人类和其他生物造成极大威胁；此外，太阳风“如入无人之境”，对地球大气层的破坏增强，会造成大气氧离子逃逸和氧含量降低。
因此，地磁极性倒转可能对地球表层系统的气候变化和生物演化产生重大影响。比如，有研究提出，异常频繁的地磁场倒转（超过20次/100万年），可能是埃迪卡拉纪晚期（约5亿5000万年前）生物灭绝事件发生的诱因。最近，一项发表于《科学》（Science）的研究表明，42000年前地球磁极倒转（被称为“拉尚漂移”）和处于低潮的太阳活动（会降低地球对宇宙辐射的防护）共同引发了地球气候环境大灾变，最终造成部分大型哺乳动物和尼安德特人（是欧洲古人类，曾经统治着包括整个欧洲、亚洲西部和非洲北部）的灭绝。
地磁场倒转期间，磁层的屏障作用大幅减弱，地球被“浸泡”在太阳风之中，完全暴露在太阳辐射的致命“烧烤”中丨图片来源：Science photo library
磁极倒转时，地球磁场强度大幅减弱，造成整个星球暴露在强宇宙辐射之下丨图片来源：文献[1]
值得说明的是，地磁极性倒转期间地磁场强度减弱，并不一定意味着地磁场会完全消失。但是，地磁场可能会出现一个“混乱”时期，使得卫星和指南针等定位导航系统瘫痪、电力设备和电网遭到严重破坏，也会给例如鸽子、海龟等利用磁场进行导航的动物造成严重“困扰”，令其陷入危险。
他们的发现，确实很南，但有用
磁体指示南北的现象，古人已经发现。先秦时代（旧石器时期—公元前221年，秦朝建立之前的历史时代），中国劳动人民就已经积累了对磁现象的认识。战国期间（公元前475年-公元前221年），最早的磁性指向器——司南诞生，东汉思想家王充曾这样描述司南的用途：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”
经过漫长的改进过程，具有较高指示精度的磁针出现，人们也发现了磁偏角。例如北宋学者沈括在《梦溪笔谈》中便指出磁针“常微偏东，不全南也”。之后，罗盘问世。中国的磁针和罗盘先后西传，极大推动了人类文明的进程。
世界各地的岩石是相应时期地磁场的忠实记录者和保存者。因此，研究不同地质历史时期的岩石就可以获得清晰的地磁场极性倒转记录。
不同地质历史时期的岩石（左图；图片来源：中国航天科工），起到了“留声机”（右图；图片来源：90设计）的作用，记录了它们形成时期的地磁场信息
尽管古人2000多年前就发现了磁体指示南北的现象，但是地磁倒转现象的发现却是上个世纪初的事。1906年4月21日，法国科学家布容（1867-1910）在一次物理学会会议上首次指出，法国中央高原的火山熔岩及其下方被烘烤过的粘土都显示，当时磁场的方向与目前的磁场方向相反，据此推测出地磁场极性在过去发生了倒转。这一发现在地磁学历史上具有里程碑意义。
1910-1932年间，瑞士冰川学家默坎顿（Mercanton）通过对南、北半球不同地区样品的古地磁研究证实了地磁倒转是一个全球性现象。后来，日本科学家松山基范（Motonori Matuyama）通过对日本Manchuria玄武岩的研究也证明了上述观点，并进一步指出在更新世（78万年前）地球磁场是与现代相反的。尽管可以肯定，地磁场在地质历史时期曾发生过倒转，但囿于有限的测年技术，当时仍无法确定极性倒转发生的准确时间。直到20世纪60年代，考克斯（A.V. Cox）等综合放射性同位素年龄和古地磁结果，首次建立了三、四百万年以来地磁场倒转发生的年龄，并证实了极性倒转的全球等时性。至此，地磁倒转的概念才开始被人们接受。
美国地球物理学家考克斯（左图）及其团队建立的地磁极性年表（右图）
在这之后，基于海洋沉积物的古地磁学测量以及海洋磁异常条带的发现，科学家提出了海底扩张假说，近1亿6000万年以来的地磁场极性倒转序列得以建立。不过，要想进一步获得更多可靠的、更为久远的地磁场倒转序列可不是一件容易的事。通常来说，更老的海底沉积物则因板块运动被俯冲至地球深部，更早时期的地磁倒转事件便只能通过对陆地岩石（或沉积物）的古地磁学研究获得。但是，往往陆地上的岩石年代越老，其记录的岩石形成时期的地磁场信息受到后期构造运动、高温高压等变质事件、火山活动等的影响（或破坏）越大，从中获得可靠信息也就变得越困难。
海底磁异常条带，彩色表示正极性条带，白色表示负极性条带，磁异常条带沿洋中脊向两侧分离并与洋中脊平行、对称分布；丨图片来源：文献[5]
近200年的观察记录显示，地磁场强度呈减弱趋势（已经减弱了15%）。与此同时，科学家也发现地磁北极的位置在发生着变化。这是指示了地磁场正常的波动，还是预示着我们正处于新一轮地磁倒转的关口，尚不得而知。由于地质历史时期地磁场变化的不规律性，加之对其发生原因的认识依然不足，科学家尚无法准确地预测下一次磁极倒转的时间，以及可能发生的气候变化。
地磁北极正在不断移动，如今已从加拿大北部漂移到了西伯利亚丨上图来源：科普大世界；下图修改自新华网
古人云：以人为鉴，可以明得失；以史为鉴，可以知兴替。研究地磁场起源及其在地质历史时期的变化特征，探索地磁倒转事件和地球气候环境变迁之间的关系，可让人们对于地球的演化有更清晰的认识，对于更好地预见地球未来的变化同样具有深远意义。与其担心无法预知的未来，不如好好把握当下，共同守护这颗美丽的星球。“路漫漫其修远兮”，相信经过不断的探索，人类终将揭开地球磁场的神秘面纱。
参考文献
[1] 新发现：尼安德特人的灭亡或与地球磁极逆转有关. 思羽 编译. 世界科学. 2021.2.20.[2] 林玉峰. 地球磁场要是倒转了，我们可怎么办？. 科普大讲堂•天生地海科普（微信公众号）. 2019.6.6.[3] Gradstein, F. M., Ogg, J. G., Schmitz, M. D., et al. Geologic Time Scale 2020. Elsevier, Amsterdam, Netherlands. 2020, P. 1–1349.[4] Zhang, D.W., Yan, M.D., Song, C.H., et al. Frequent Polarity Reversals in the Cretaceous Normal Superchron. Geophysical Research Letters, 2021, 48(5), e2020GL091501. https://doi.org/10.1029/2020GL091501.[5] Vine, F.J., Matthews, D.H. Magnetic Anomalies Over Oceanic Ridges. Nature, 1963, 199: 947-949.[6] Cooper, A., Turney, C.S.M., Palmer, J., et al. A global environmental crisis 42,000 years ago. Science, 2021, 371(6531): 811-818. Doi: 10.1126/science.abb8677.[7] 李永祥, 刘新宇. 古地磁场研究：挑战与机遇. 地质学报, 2021, 95(1): 64-74.[8] Tarduno, J.A., Cottrell, R.D., Watkeys, M.K., et al. Geodynamo, solar wind, and magnetopause 3.4 to 3.45 billion years ago. Science, 327: 1238-1240.[9] 魏勇, 万卫星. 地磁倒转与生物灭绝因果关系研究五十年. 地球物理学报, 2014, 57(11): 3841-3850.[10] 潘永信, 朱日祥. 生物地球物理学的产生与研究进展. 科学通报, 2011, 56(17): 1335-1344.[11] 丁宝明. 地磁场的两极倒转，曾推动物种大灭绝？. 腾讯网. 2021.3.28.[12] 严寿民. 地球磁场翻转对人类生活的影响. 科学智慧火花•科学观点（中国科学院主办）.本文经授权转载自微信公众号“科学大院”，原题目为《南北也曾是北南》。
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