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[小科普: 随我看地球 – VII (上集)]
- 地球磁场倒转到底有多可怕？
中华新闻网 2022-02-25 16:05
中华新闻社多伦多电（记者 马淼） 近期以来, 科学家们发现地球磁极正在发生漂移, 或甚至是倒转, 由此引发了人们对地磁变化给人类的可能威胁而担忧. 他们担心地磁漂移和倒转会给人类和其他生命带来冲击, 甚至可能绝灭.
地磁的一般概念
那么, 什么是地磁呢？地磁是地球所固有的一种磁场属性, 它犹如一块巨大磁铁石, 有北极和南极之分. 它是一个磁偶极子(magnetic dipole), 从地理北极附近的地磁北极(或指北极), 指向位于地理南极附近的磁南极(指南极), 通过磁力线构成一个封闭环流. 由于地球被一股磁场包围，所以无论物体转到什么方向, 都会自动返回与地球磁场相同的方向, 这便是地球磁场(地磁). 人类感觉不出磁力的存在, 而许多动物, 如鱼类, 鸟类则可以, 它们可以根据磁力线分布选择它们的位置, 飞行和游移的方向. 在中国, 远在战国时期华夏祖先就已经发现了地磁的存在，后来更以此发明了指南针(古称司南).
地理北极和地理南极是地球的轴心, 地球自转是绕轴心旋转的, 而非绕磁极旋转. 它和磁极并不是重合的. 它们之间有个偏差角, 我们称之为”磁偏角”. 磁偏角是随着时间变化而缓慢变化的, 目前和地理极的偏差为11.3度(如图):
地球磁场示意图 (图片网络来源：中科院科学智慧之花)
地磁场有二个部分组成, 即基本磁场和变化磁场. 基本磁场是地磁场的主要部分, 起源于固体地球内部, 比较稳定和强大, 属于静磁场部分. 变化磁场包括地磁场的各种短期变化, 主要起源于固体地球外部, 比较微弱. 地球的磁场向太空伸展延绵数万公里, 形成地球上的磁圈引力, 就像一顶”保护伞”, 我称它为“磁云盾”,保护大气层免受太阳风带来的强大电子粒流的直接轰击, 并保护着地球生命,极其健康,安全和发展. 如果没有地球磁场的保护, 地球上的生命将难以生存.
也许会有很多人知道地磁有二个有趣的特性，一个是漂移(Geomagnetic Excursion), 另一个是倒转(Geomagnetic Reverse). 下面我们演绎一下这二个特性:
一, 地磁漂移
地球漂移在方向上可以飘忽不定, 会随时间变化而有很大位移, 甚至可以有180度的逆转, 但与完全倒转不同, 持续的时间一般不久, 通常只会持续几千到几万年, 而且其强度一般仅是正常值的0%到20%. 漂移和倒转不同,通常不会在全球范围内留有可用的记录. 这当然部分是由于它们的时间太短, 在沉积记录中常常会”漏记”. 根据目前的认识, 漂移的频率较高的, 其数量大约是到转的10倍. 在末次Brunhes-Matuyama倒转期间就多达12次.
在漂移成因上, 科学界对导致地磁漂移的原因仍在存在分歧, 主要以下几方面的假说：
无序电机说
最流行的假说是漂移是维持地球磁场电机(Dynamo)的固有特性. 在计算机模拟中, 观察到磁力线有时会由于地核中液态金属的混乱运动而变得缠结和杂乱无章. 在此情况下, 这种自发的混乱会导致地球表面磁场的减弱.
外核内核对立说
有研究表明, 当磁场仅在液体外核内反转时就会发生漂移. 当内核也受到影响时就会发生倒转.
外部驱动说(板块构造驱动)
有人认为, 地磁漂移不是自发过程, 而是由直接扰乱地核液流的外部事件触发的. 这些外部过程可能包括以下情况: 1, 大陆地壳在俯冲带由于板块运动进入地幔, 2, 新的地幔柱在地核-地幔边界上形成, 3, 地幔-地核的剪切力, 4, 由于巨大的撞击事件引发的错位.
宇宙宏观效应
穆勒和莫里斯建议由于强大的撞击事件和快速的气候变化导致地磁逆转. 強烈的撞击引发了冰川形成, 水被重新分配到两极, 改变了地壳和地幔的旋转速度. 如果海平面变化足够大(> 10 米)和快速(在几百年内), 那么液体核心中的速度剪切会破坏驱动地球电机的对流机制.
可能的效应: 由于磁场减弱, 更多的辐射线会轰击地球, 但很可能不会发生任何严重的事情, 因为人类肯定至少经历过一次这样的事件.
在现代社会, 主要危害可能类似于与地磁风暴相关的危害, 卫星和电源可能会受到损坏, 指南针导航也会受到影响. 尽管一些依靠磁场导航的生命可能会被影响, 但研究表明这些物种在过去的漂移中都可以幸存下来. 物种在一段可以调节自己的内功能以适应新的环境. 由于漂移并不总是全球性的, 因此任何影响都可能只在某些地方发生. 其涉及的时间段可能短至一个世纪, 也可能长达一万年. 在气候方面, 有证据表明地磁漂移与大陆冰川的快速而短期的冷却事件有关.
1590年以来的磁北极从纬度70度的加拿大向86度的西伯利亚方向漂移轨迹图. 从图上也可以看出1950以来漂移速度在加快 (图片来源：https://waggonerguide.com/magneticnorthonthemove/)
地磁的一般概念
那么, 什么是地磁呢？地磁是地球所固有的一种磁场属性, 它犹如一块巨大磁铁石, 有北极和南极之分. 它是一个磁偶极子(magnetic dipole), 从地理北极附近的地磁北极(或指北极), 指向位于地理南极附近的磁南极(指南极), 通过磁力线构成一个封闭环流. 由于地球被一股磁场包围，所以无论物体转到什么方向, 都会自动返回与地球磁场相同的方向, 这便是地球磁场(地磁). 人类感觉不出磁力的存在, 而许多动物, 如鱼类, 鸟类则可以, 它们可以根据磁力线分布选择它们的位置, 飞行和游移的方向. 在中国, 远在战国时期华夏祖先就已经发现了地磁的存在，后来更以此发明了指南针(古称司南).
地理北极和地理南极是地球的轴心, 地球自转是绕轴心旋转的, 而非绕磁极旋转. 它和磁极并不是重合的. 它们之间有个偏差角, 我们称之为”磁偏角”. 磁偏角是随着时间变化而缓慢变化的, 目前和地理极的偏差为11.3度(如图):
地球磁场示意图 (图片网络来源：中科院科学智慧之花)
地磁场有二个部分组成, 即基本磁场和变化磁场. 基本磁场是地磁场的主要部分, 起源于固体地球内部, 比较稳定和强大, 属于静磁场部分. 变化磁场包括地磁场的各种短期变化, 主要起源于固体地球外部, 比较微弱. 地球的磁场向太空伸展延绵数万公里, 形成地球上的磁圈引力, 就像一顶”保护伞”, 我称它为“磁云盾”,保护大气层免受太阳风带来的强大电子粒流的直接轰击, 并保护着地球生命,极其健康,安全和发展. 如果没有地球磁场的保护, 地球上的生命将难以生存.
也许会有很多人知道地磁有二个有趣的特性，一个是漂移(Geomagnetic Excursion), 另一个是倒转(Geomagnetic Reverse). 下面我们演绎一下这二个特性:
一, 地磁漂移
地球漂移在方向上可以飘忽不定, 会随时间变化而有很大位移, 甚至可以有180度的逆转, 但与完全倒转不同, 持续的时间一般不久, 通常只会持续几千到几万年, 而且其强度一般仅是正常值的0%到20%. 漂移和倒转不同,通常不会在全球范围内留有可用的记录. 这当然部分是由于它们的时间太短, 在沉积记录中常常会”漏记”. 根据目前的认识, 漂移的频率较高的, 其数量大约是到转的10倍. 在末次Brunhes-Matuyama倒转期间就多达12次.
在漂移成因上, 科学界对导致地磁漂移的原因仍在存在分歧, 主要以下几方面的假说：
无序电机说
最流行的假说是漂移是维持地球磁场电机(Dynamo)的固有特性. 在计算机模拟中, 观察到磁力线有时会由于地核中液态金属的混乱运动而变得缠结和杂乱无章. 在此情况下, 这种自发的混乱会导致地球表面磁场的减弱.
外核内核对立说
有研究表明, 当磁场仅在液体外核内反转时就会发生漂移. 当内核也受到影响时就会发生倒转.
外部驱动说(板块构造驱动)
有人认为, 地磁漂移不是自发过程, 而是由直接扰乱地核液流的外部事件触发的. 这些外部过程可能包括以下情况: 1, 大陆地壳在俯冲带由于板块运动进入地幔, 2, 新的地幔柱在地核-地幔边界上形成, 3, 地幔-地核的剪切力, 4, 由于巨大的撞击事件引发的错位.
宇宙宏观效应
穆勒和莫里斯建议由于强大的撞击事件和快速的气候变化导致地磁逆转. 強烈的撞击引发了冰川形成, 水被重新分配到两极, 改变了地壳和地幔的旋转速度. 如果海平面变化足够大(> 10 米)和快速(在几百年内), 那么液体核心中的速度剪切会破坏驱动地球电机的对流机制.
可能的效应: 由于磁场减弱, 更多的辐射线会轰击地球, 但很可能不会发生任何严重的事情, 因为人类肯定至少经历过一次这样的事件.
在现代社会, 主要危害可能类似于与地磁风暴相关的危害, 卫星和电源可能会受到损坏, 指南针导航也会受到影响. 尽管一些依靠磁场导航的生命可能会被影响, 但研究表明这些物种在过去的漂移中都可以幸存下来. 物种在一段可以调节自己的内功能以适应新的环境. 由于漂移并不总是全球性的, 因此任何影响都可能只在某些地方发生. 其涉及的时间段可能短至一个世纪, 也可能长达一万年. 在气候方面, 有证据表明地磁漂移与大陆冰川的快速而短期的冷却事件有关.
1590年以来的磁北极从纬度70度的加拿大向86度的西伯利亚方向漂移轨迹图. 从图上也可以看出1950以来漂移速度在加快 (图片来源：https://waggonerguide.com/magneticnorthonthemove/)
作者：章纪君，1982年12月赴美国纽约哥伦比亚大学拉蒙特地质研究所(Lamont-Doherty Geological Observatory)研究海洋浮游有孔虫；1984年赴美国田纳西州Vanderbilt 大学学习海洋钙质超微浮游生物; 自1987年至2013年在美国自然历史博物馆微体古生物出版社和拉蒙特地质研究所从事特殊出版物编辑，海洋古生物及生物地层学和天外物质的研究。1991年移民加拿大并进入哈里法克斯的达尔豪斯(Dalhousie)大学深造，1996年取得博士学位。在学期间获奖情况：1996-1999年：美国弗罗里达大学美国国家科学基金会 (NSF) 的博士后资助。1993-1996年连续四年获达尔豪斯大学研究生 Izaak Walton Killam 纪念奖学金。1994年获美国地质学会 (GSA) 学生研究奖。1993年获美国全球一年一度一人的Cushman 基金会学生奖。1991-1993年连续二次获达尔豪斯大学研究生奖学金。1991-1996仼达尔豪斯大学助教。
1997年在法国Anger大学地质系做访问教授。2000年后在利比亚－美国合营公司－”绿州石油公司”任实验室主任，从事古生物，地层和古盆地重建工作， 同时担任石油公司的地质，古生物学的教育培训工作。
出版物二部书，中文版一部由”海洋出版社”出版, 合著1988, 438pp; 另一部英文版由Springer-Verlag 出版社出版, 合著, 1985, 370pp. 1985-1986期间曾参与中国的“辞海”汇编。1987-2013, 在美国自然历史博物馆微体古生物出版社单人编译和合作编译20余本Ellis and Messina “Catalogue of Foraminifera”, “Catalogue of Ostracoda” and “Catalogue of Diatom”. 1995-2004年间担任过美国的“Marine Micropaleontology”杂志的审稿工作。
在”海洋出版社”1988年专著一书中，命名了16个第四纪底栖有孔虫新物种. 另外在美国 ”Micropaleontology”1995年一文中，命名了一个渐新世(Oligocene)的浮游有孔虫一个新属(Protentelloides) 和二个新种(Protentelloides primitiva 和Protentelloides dalhousiei).
出版文章20余篇，发表于各种科学杂志上, 如美国的Palaios, Deep Sea Research, Marine Micropaleontology, Micropaleontology, Paleoceanography, Geology, Acta Oceanologica Sinica（中国）等.为利比亚绿洲石油公司撰写内部专业报告20余篇和若干外承(External）地质报告的审核工作.
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