新模型揭示地磁場(chǎng)變化速率比預(yù)計(jì)的快 10 倍

北京時(shí)間 7 月 15 日消息，在近期的新研究中，科學(xué)家通過(guò)模擬顯示了 10 萬(wàn)年以來(lái)地磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，揭示地球磁場(chǎng)改變方向的速度要比原先預(yù)計(jì)的快得多。

地磁場(chǎng)源自于地球內(nèi)部，延伸至太空，就像一個(gè)保護(hù)罩一樣，使地球的大氣層保持在適當(dāng)?shù)奈恢?，并保護(hù)生命免受宇宙輻射和太陽(yáng)風(fēng)的傷害。不過(guò)，地磁場(chǎng)平均每幾十萬(wàn)年就會(huì)發(fā)生一次地磁逆轉(zhuǎn)，即磁北極和磁南極突然（在地質(zhì)時(shí)間尺度上）互換位置。上一次發(fā)生這種情況大約是在 78 萬(wàn)年前，稱為布容尼斯 - 松山逆轉(zhuǎn)。在之前的研究中，科學(xué)家估計(jì)這個(gè)過(guò)程需要數(shù)千年，以每年約 1 度的速度改變。

在這項(xiàng)新研究中，研究人員指出，地磁場(chǎng)的這種方向變化可能比以往認(rèn)為的快 10 倍，并且比最近觀測(cè)到的變化快將近 100 倍。

當(dāng)太陽(yáng)拋射的日冕物質(zhì)撞擊地球磁場(chǎng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生壯麗的極光。這是在冰島上空拍攝的極光景象

在地球表面下約 2800 公里處，地核的液態(tài)外核在不斷流動(dòng)，為無(wú)形的地磁場(chǎng)提供了動(dòng)力。翻滾的導(dǎo)電巖漿產(chǎn)生了電荷，而這些電荷決定了磁極的位置，并形成了無(wú)形的磁力線。這些磁力線包裹著地球，連接著南北磁極。

地核和磁場(chǎng)之間的相互作用十分復(fù)雜。外核中的熔融鐵、鎳的對(duì)流導(dǎo)致某些地方極具磁性，而另一些地方則磁性較弱。英國(guó)利茲大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院副教授、該研究的主要作者克里斯托弗 · 戴維斯表示，地球表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間而變化，也會(huì)因地核的不同位置而改變。在熔融的地核中，“流體扭曲并拉伸磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)反過(guò)來(lái)推動(dòng)了流體，抵抗這種扭曲”。

“這種流體是很動(dòng)蕩的，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就像一鍋沸水里的水流一樣，”戴維斯說(shuō)，“因此在地核內(nèi)部，流體和磁場(chǎng)之間的相互作用是不同的?！睋Q句話說(shuō)，當(dāng)液態(tài)外核 “沸騰”時(shí)，這種運(yùn)動(dòng)在地核不同部分導(dǎo)致磁力的起伏，從而決定了這些區(qū)域如何影響磁層。

非逆轉(zhuǎn)時(shí)期地球磁場(chǎng)的計(jì)算機(jī)模擬圖像。線條代表磁場(chǎng)線：從地核伸出時(shí)為黃色，回入地核時(shí)為藍(lán)色

對(duì)今天的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這些相互作用中的某些變化是可見(jiàn)的，比如高緯度地區(qū)的強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域；向東或向西漂移的磁場(chǎng)特征；以及在非洲和南美洲之間的一個(gè)長(zhǎng)期存在的磁場(chǎng)弱區(qū)，即南大西洋異常區(qū)。

早在幾個(gè)世紀(jì)以前，水手們就在航海日志中記錄了這一區(qū)域的磁場(chǎng)變化；近幾十年來(lái)，衛(wèi)星和天文臺(tái)都捕捉到了這種變化。據(jù)此前的報(bào)道，近年來(lái)的觀測(cè)表明，在過(guò)去的 160 年里，地球磁場(chǎng)的強(qiáng)度實(shí)際已經(jīng)減弱，這表明地球可能會(huì)更早地經(jīng)歷地磁逆轉(zhuǎn)。

不過(guò)，戴維斯指出，追蹤遙遠(yuǎn)過(guò)去的磁場(chǎng)變化要比想象的更具有挑戰(zhàn)性。“我們知道磁極會(huì)發(fā)生倒轉(zhuǎn)，但在數(shù)千年到數(shù)百萬(wàn)年的時(shí)間里，磁場(chǎng)究竟是如何變化的，仍然有很多信息等待發(fā)現(xiàn)，”戴維斯說(shuō)，“在我們的研究中，我們提出了這樣一個(gè)問(wèn)題：磁場(chǎng)在這些時(shí)間尺度上改變方向的速度能有多快？”

為了回答這個(gè)問(wèn)題，戴維斯和該研究的合著者凱瑟琳 · 康斯特布爾建立了一種新的磁場(chǎng)模型。該模型使用了過(guò)去 10 萬(wàn)年間的大量磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)。戴維斯表示，磁場(chǎng)變化可以體現(xiàn)在海洋沉積物、冷卻的熔巖流，甚至是人造結(jié)構(gòu)和文物中。

“然而，像所有基于地球表面觀測(cè)的模型一樣，這個(gè)模型也只能向我們展示地核頂部的磁場(chǎng)；我們不能‘看到’地核內(nèi)部，”戴維斯補(bǔ)充道，“因此，我們將這些結(jié)果與計(jì)算機(jī)模擬的磁場(chǎng)產(chǎn)生的物理過(guò)程結(jié)合起來(lái)?！睔w根結(jié)底，磁場(chǎng)的產(chǎn)生源自地核的運(yùn)動(dòng)。

戴維斯和康斯特布爾發(fā)現(xiàn)，在磁場(chǎng)變?nèi)醯牡貐^(qū)，磁場(chǎng)方向每年的改變可達(dá) 10 度。這一變化速率比之前模型預(yù)測(cè)的結(jié)果快了 10 倍，比目前觀測(cè)到的變化速率快 100 倍。

模擬結(jié)果表明，當(dāng)?shù)睾巳廴趨^(qū)域的方向逆轉(zhuǎn)時(shí)，磁場(chǎng)方向?qū)l(fā)生劇烈變化。這種地核逆轉(zhuǎn)在赤道附近更為常見(jiàn)，與研究人員在低緯度地區(qū)觀察到的磁場(chǎng)方向快速變化相吻合。研究人員在論文中寫道，這項(xiàng)關(guān)于低緯度地區(qū)磁場(chǎng)變化最快的新證據(jù)表明，未來(lái)科學(xué)家應(yīng)該把注意力放在這些區(qū)域。

康斯特布爾說(shuō)：“對(duì)這些模擬過(guò)程中不斷變化的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行更深入的研究，將為我們提供有用的策略，以記錄這種快速變化如何發(fā)生，并了解這種變化是否也會(huì)出現(xiàn)在像我們今天這樣的磁極穩(wěn)定時(shí)期?！痹撗芯康慕Y(jié)果在線發(fā)表在 7 月 6 日的雜志上。