新模型揭示地磁場變化速率比預計的快 10 倍

北京時間 7 月 15 日消息，在近期的新研究中，科學家通過模擬顯示了 10 萬年以來地磁場的動態(tài)變化，揭示地球磁場改變方向的速度要比原先預計的快得多。

地磁場源自于地球內部，延伸至太空，就像一個保護罩一樣，使地球的大氣層保持在適當?shù)奈恢?，并保護生命免受宇宙輻射和太陽風的傷害。不過，地磁場平均每幾十萬年就會發(fā)生一次地磁逆轉，即磁北極和磁南極突然（在地質時間尺度上）互換位置。上一次發(fā)生這種情況大約是在 78 萬年前，稱為布容尼斯 - 松山逆轉。在之前的研究中，科學家估計這個過程需要數(shù)千年，以每年約 1 度的速度改變。

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

當太陽拋射的日冕物質撞擊地球磁場時，就會產(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，為無形的地磁場提供了動力。翻滾的導電巖漿產(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。

地核和磁場之間的相互作用十分復雜。外核中的熔融鐵、鎳的對流導致某些地方極具磁性，而另一些地方則磁性較弱。英國利茲大學地球與環(huán)境學院副教授、該研究的主要作者克里斯托弗 · 戴維斯表示，地球表面的磁場強度會隨著時間而變化，也會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，而磁場反過來推動了流體，抵抗這種扭曲”。

“這種流體是很動蕩的，簡單來說，就像一鍋沸水里的水流一樣，”戴維斯說，“因此在地核內部，流體和磁場之間的相互作用是不同的?！睋Q句話說，當液態(tài)外核 “沸騰”時，這種運動在地核不同部分導致磁力的起伏，從而決定了這些區(qū)域如何影響磁層。

非逆轉時期地球磁場的計算機模擬圖像。線條代表磁場線：從地核伸出時為黃色，回入地核時為藍色

對今天的科學家來說，這些相互作用中的某些變化是可見的，比如高緯度地區(qū)的強磁場區(qū)域；向東或向西漂移的磁場特征；以及在非洲和南美洲之間的一個長期存在的磁場弱區(qū)，即南大西洋異常區(qū)。

早在幾個世紀以前，水手們就在航海日志中記錄了這一區(qū)域的磁場變化；近幾十年來，衛(wèi)星和天文臺都捕捉到了這種變化。據(jù)此前的報道，近年來的觀測表明，在過去的 160 年里，地球磁場的強度實際已經(jīng)減弱，這表明地球可能會更早地經(jīng)歷地磁逆轉。

不過，戴維斯指出，追蹤遙遠過去的磁場變化要比想象的更具有挑戰(zhàn)性?！拔覀冎来艠O會發(fā)生倒轉，但在數(shù)千年到數(shù)百萬年的時間里，磁場究竟是如何變化的，仍然有很多信息等待發(fā)現(xiàn)，”戴維斯說，“在我們的研究中，我們提出了這樣一個問題：磁場在這些時間尺度上改變方向的速度能有多快？”

為了回答這個問題，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模型。該模型使用了過去 10 萬年間的大量磁場觀測數(shù)據(jù)。戴維斯表示，磁場變化可以體現(xiàn)在海洋沉積物、冷卻的熔巖流，甚至是人造結構和文物中。

“然而，像所有基于地球表面觀測的模型一樣，這個模型也只能向我們展示地核頂部的磁場；我們不能‘看到’地核內部，”戴維斯補充道，“因此，我們將這些結果與計算機模擬的磁場產(chǎn)生的物理過程結合起來。”歸根結底，磁場的產(chǎn)生源自地核的運動。

戴維斯和康斯特布爾發(fā)現(xiàn)，在磁場變弱的地區(qū)，磁場方向每年的改變可達 10 度。這一變化速率比之前模型預測的結果快了 10 倍，比目前觀測到的變化速率快 100 倍。

模擬結果表明，當?shù)睾巳廴趨^(qū)域的方向逆轉時，磁場方向將發(fā)生劇烈變化。這種地核逆轉在赤道附近更為常見，與研究人員在低緯度地區(qū)觀察到的磁場方向快速變化相吻合。研究人員在論文中寫道，這項關于低緯度地區(qū)磁場變化最快的新證據(jù)表明，未來科學家應該把注意力放在這些區(qū)域。

康斯特布爾說：“對這些模擬過程中不斷變化的動力學進行更深入的研究，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出現(xiàn)在像我們今天這樣的磁極穩(wěn)定時期?！痹撗芯康慕Y果在線發(fā)表在 7 月 6 日的雜志上。