地球磁场

深蓝色的畅想

在地球周围，一个看不见的磁场正不断地捕获电子和其他带电粒子，使得阻挡紫外线的臭氧层不致消失

　　据国外媒体报道，如果地磁场消失，会对地球有什么影响？答案是：不会很好，但也不会像灾难片描述的那么糟糕。

　　地球的磁场称为地磁场，源于地球内部，向外延伸至太空。这个磁场由地核的剧烈运动产生，对我们的日常生活有非常重要的意义：它保护了地球免受太阳粒子的影响，为导航提供了基础，甚至可能在地球生命演化中发挥了重要作用。

　　那么，如果地磁场突然消失会如何？无数的带电太阳粒子将会轰击地球，使电网和卫星失灵，并使人类暴露在更高水平的致癌紫外线辐射下。换句话说，地磁场缺失将会带来严重的问题，但不一定是灾难性的后果，至少在短期内是这样。

　　这其实是个好消息，因为一个多世纪以来，地磁场一直在减弱。即使是现在，也有一些地磁特别薄弱的区域，比如南半球的南大西洋异常区（South Atlantic Anomaly），导致该区域上空的低轨道卫星会受到粒子影响而出现技术问题。

　　关于地磁场，首先要了解的是，即使减弱，它也不会消失，至少在几十亿年内不会消失。地磁场的形成源于地核外核中熔融铁、镍的对流运动。美国罗彻斯特大学的地球物理学家约翰·塔都诺（John Tarduno）表示，随着地核的增长和固化，地核内部释放的热量推动了这一对流运动，进而产生电流，从而形成地磁场。据估计，地核每年大约增长一毫米。

　　这种关于地磁场形成的理论，被称为发电机理论，而地核作为磁场的“引擎”，已经运行了数十亿年。根据2015年的一项研究，科学家认为，目前的地核结构可能在大约15亿年前就已经稳定下来，当时的磁场强度出现了飞跃。但是，塔都诺和他的团队在地球上最古老的矿物锆石中发现了磁场存在的证据，并且可以追溯到42亿年以前。这表明，地核活动在很长一段时间内一直在产生磁场。

　　塔都诺在接受采访时表示，目前还不清楚这台“发电机”启动的原因，但很可能是导致月球形成的那次大规模行星撞击造成的。这次撞击发生在地球形成后大约1亿年时，可能促使地核中发生物质分层，进而导致了对流运动，至今仍驱动着地磁“发电机”。

　　在遥远的未来，地核很可能最终会变得足够大，以至于外核的对流运动不足以产生电流，磁场也会最终失效。但这种情况太遥远了，也许还需要几十亿年的时间，现在还不值得为此而失眠。

　　不断减弱的地磁场

　　与人类生活更相关的是，地磁场正在减弱。在过去的160年里，科学家们一直在用地磁观测站和卫星直接测量这种减弱趋势。160年以前，地磁场是否已经开始减弱，以及未来会发生怎样的变化，目前都不明朗。塔都诺表示，目前的地磁场大约有80%为偶极子磁场。这意味着地磁场更多地是像一块条形磁铁。如果你能把铁屑洒在地球周围（这里需要除去太阳风的影响），由此产生的磁场线将呈现出明确的北极和南极。但是，还有20%的地磁场是非偶极子磁场，这意味着地磁场比条形磁铁更复杂，会出现局部的变化。

　　在以往的地球历史中，地磁场曾发生了多次地磁逆转，即南北磁极互相换位。最后一次逆转发生在78万年前，大约是直立人（Homo erectus）的时代。由于地磁场的减弱通常发生在这些逆转之前，因此一些人对又一场地磁逆转是否即将到来提出了疑问。不过，地磁场有时也会先减弱，然后在不逆转的情况下再次增强，这种现象被称为“漂移”（excursion）。

　　塔都诺和他的团队发现，在南非地下的地核中，有一个奇怪的漩涡，可能是造成这种磁场减弱的部分原因。这一漩涡似乎就是南大西洋异常区形成的原因。该异常区从巴西以东约 300公里处开始，横跨南美洲大部分地区，是已知的地磁场薄弱区域。在这片地区，来自太阳风的带电粒子会比其他区域更容易接近地球。在地理特征上，南大西洋异常区并不特别明显。但是，地球轨道卫星在那里遇到了更多具有破坏性的太阳粒子，曾在国际空间站上飞越该地区的宇航员报告称，他们看到了流星的视觉现象。科学家认为，这很可能是由于那里的近地轨道辐射水平相对较高造成的。

　　塔都诺的团队怀疑，南非地下的地幔变化可能触发了以往的地磁逆转。好消息是，即使磁场在减弱，或者即将逆转，地磁场也不会消失。没有证据表明地磁场会在逆转过程中完全消失。

　　即使发生地磁逆转，“地球仍然会保留一部分磁场，这将是一个非常弱的磁场，”塔都诺说道。这个磁场强度很小的世界会是什么样子？首先，你的指南针不管用了。“它将指向磁场强度最高的区域，”塔都诺说，“这一区域可能离你很近，也可能非常遥远。”

　　到了那时，北极光和南极光在低纬度地区也将都能看到，因为这些绚烂的景象是太阳喷射出来的带电粒子（太阳风）与地球磁层相互作用的结果。目前，极光只出现在两极附近，循着地球的南北磁场线，但较弱的磁场将允许粒子穿透地球大气层，照亮赤道附近的天空。

　　南大西洋异常区上空的卫星异常现象可能在全球变得普遍，这将引起许多技术故障。太阳粒子会轰击电子设备，造成所谓的单粒子翻转（single-event upsets，SEUs），即计算机中CMOS电子元器件发生电位状态的跳变，从而破坏内存。当太阳粒子与地球大气层的电离层相互作用时，也会把电子从分子轨道上撞击出来。这些自由电子会干扰用于通信的高频无线电波的传输。

　　随着时间的推移，太阳风和地球大气之间的相互作用还会破坏臭氧层，这将增加全体人类受到的紫外线辐射，并增加皮肤癌的风险。

　　伦敦玛丽女王大学的空间等离子体物理学家马丁·阿彻说（Martin Archer）：“虽然没有磁场可能不会对生命造成完全灾难性的影响，但地球上的辐射剂量会高得多。”几乎没有证据表明以往历史中地磁场的变化影响了地球生命。不过，马丁·阿彻在接受采访时表示，地磁场无疑参与塑造了地球的表面，有助于防止地球脆弱的大气层被无情的太阳风吹到太空。

　　磁场对于大气层的形成并不是决定性的，例如金星就没有磁场，但它具有浓厚的大气层——超过96%都是二氧化碳。不过，地磁场确实起到了额外保护层的作用。火星曾经拥有磁场，但在大约40亿年前失去了，它的大气层也几乎被完全剥夺。马丁·阿彻指出，如果有某种方法能让月球拥有类似地球的大气层，在短短一个世纪内，太阳风就会将其化为乌有。