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海峰
围绕在我们地球周围的磁场就像一个无形的力场,通过使带电粒子偏转散开,保护地球生命免受有害的太阳辐射,但这个磁场并非一成不变,而是一直处于不断的变化之中,事实上,在地球的历史中发生过至少数百次的磁场反转——南磁极和北磁极相互易位.那即将反转的磁场将在什么时候发生,又会对地球生命带来什么样的影响呢？
平均而言,地球磁场的反转每隔一百万年才会发生几次.然而,地磁反转之间的间隔非常不规律,有时甚至会达到数千万年时间.有时候还会出现短暂且不完整的地磁反转,此时地磁极会远离地理上的两极,甚至可能穿过赤道后再回到原来的位置.上一次完全的地磁反转发生在约78万年前,被称为布容尼斯- 松山反转.在大约41000 年前还发生了一次短暂的地磁反转,称为拉尚事件.该事件持续了将近1000年,其中磁极真正改变的时间有250 年.另外,磁场在反转过程中并不会消失为零,而可能会变成更微弱和更复杂的形式.磁场强度有可能会减少到目前的十分之一,磁极可能都分布在赤道上,也可能同时存在多个南磁极和北磁极.
断电还是大灭绝？
地磁反转期间的磁场强度变化会削弱磁场的护盾效果,使高剂量的辐射照射到地球表面.如果这种场景发生在今天,经过地球的带电粒子将会导致卫星、飞行器和地面电子设施面临失灵风险.当太阳发出的带电粒子反常地大规模冲击地球磁场时,会引起磁场强度和方向发生剧烈的不规则变化,这种现象称为磁暴.当磁场的保护作用被削弱时,磁暴的发生也就在预料之中.在2003 年就发生过所谓的“万圣节磁暴”导致瑞典的电网断电,航班需要重新规划飞行路线,以避免通讯失灵和辐射风险,卫星和通信系统也陷入混乱.不过,相比近期历史上发生的其他磁暴,这场磁暴的规模要小得多.比如,1859 年的卡灵顿事件,又称“1859年太阳风暴”,当时世界许多地方都看见了极光,甚至远至地区.
但我们无法完全估计, 如果在今天发生这种大规模的磁暴会造成的后果.当然,任何时候电力、暖气、空调、全球定位系统或互联网的中断都会带来严重影响；大面积的断电会导致经济崩溃,一天就可能造成数百亿美元的损失.此外,地磁反转对于地球生命和人类的直接影响也很难预测,因为在上一次地磁完全反转发生时,人类还没有出现.一些研究试图将地球历史上的地磁反转与生物大灭绝联系起来,暗示一些短期或持续的火山活动可能是由相同的原因导致的.然而没有证据表明灾难性的火山活动即将来临,如果地磁反转真的很快到来的话,我们更可能需要应对电磁方面的冲击.目前,科学家已经知道一些动物具有某些形式的磁场感知能力,使它们能够发觉地球磁场的变化.它们还会利用这一能力在长距离迁徙中进行导航.但我们并不知道地磁反转会对这些物种带来怎样的影响.但可以肯定的是,早期人类在拉尚事件中存活了下来,而地球生命经历了地质史上数百次地磁完全反转之后也一直延续至今.
球磁场反转的原因
目前, 科学家地球两极的极性发生翻转现象还有较大的争议,一种观点认为,是地球内核相互挤压的过程不是永恒的,而是会发生变化的.经过一段时间的挤压,地核内部的原子核间的斥力和正负电场引力达到平衡,这时电流会消失,地球磁场也会随之消失,这使太阳发射的各种宇宙粒子和射线会直达地表,密集的正电子粒子对电子的中和作用会进一步增强,使地核中的电子减少,当地核中的正电子占有优势时,地核中的负电子会回流到地心,这时地球仍有一定的自转特性时,地球的方向会发生变化,即发生的地球磁场的翻转.另一种观点是地幔中的电子位置并不是固定不变的,会有许多偶然的因素, 影响其发生变化,再加上地球受到太阳和月亮的引力作用,地核和地幔间并不同步,这会产生强大的交变电磁场,地球磁场的南北极因而产生一种低速运动,造成地球磁场的翻转,该观点是地球磁场的翻转是随机事件,没有什么规律,随着科学技术的发展,对其他星球,如火星,水星的磁场研究会进一步深入,相信对地球磁场翻转的原因最终会得到解释.
地球磁场翻转的影响
当磁场翻转过程中这个保护层没有了,不但低轨道环绕地球的卫星会被完全摧毁,因而全球定位系统( G P S ) 都会处于瘫痪状态,此外许多电力设备都会遭到致命破坏,全球可能会处于黑暗之中,对人类生活造成严重的影响.更可能对人类的生命造成极大的威胁,另外失去磁场后,鸟类和动物迁徙也会发生困难,可能导致它们大量死亡.
但也有不同的意见,德国慕尼黑大学的赫拉德·勒施等人的研究发现,认为不会发生这样的灾难,而其中的拯救英雄就是太阳风.赫拉德·勒施等人发现,由带电粒子组成的太阳风,将在瞬间建立起一个新磁场.因为太阳风和地球等离子层运动速度相差很大,太阳风将很快在距离地面350 千米的高度建立起一个磁保护伞,这个磁保护伞的磁场强度大致与地磁磁场强度一样.它们可以将宇宙中的带电粒子挡在地球大气层外,地球上的生物依然可以不用担心被受打击.
地磁反转能否预测？
简单来说,我们即将迎来的是一次“拖延”的完全反转,地球磁场目前正以每世纪5% 的速率减弱,意味着要经过2000 年左右才会完全反转,但要想确定准确的日期则是十分困难的,这是因为地球磁场来源于地核外核中铁镍流体的缓慢流动.与大气层和海洋一样,铁镍流体的活动也是由物理学定律支配的,我们应该能追踪这种活动,从而预测出地核的变化,就像我们通过观测大气和海洋做出天气预报一样.某次地磁反转或许可以和地核中某次特定形式的变动联系起来.在一番激烈的活动之后,地核和磁场又会重新归于平静.
另一方面,尽管我们可以直接观测大气层,但准确预测几天之后的天气变化依然存在很大的困难.相比之下,预测地核变化的难度就比预测天气大得多.我们还无法到达岩石层以下3000 千米处的地核,只能通过有限和间接的方法进行观测.当前,科学家已经知道地核的物质组成和地核物质以流体存在.由地面观测站和轨道卫星组成的全球网络也会对地磁场进行实时监测,为科学家提供液态地核移动的线索.
近期对地核中“射流”的研究凸显了人类在测量和分析地核动态方面不断增强的能力.借助数值模拟和实验室工作,科学家正在对地球内部的流体动态进行更进一步的研究,对地核和地磁关系的了解也不断深入.或许在不远的未来就能更准确地预测出地磁场反转的时间和强度.
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