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，科學家通過模拟顯示了 10 萬年以來地磁場的動态變化，揭示地球磁場改變方向的速度要比原先預計的快得多。

　　地磁場源自于地球内部，延伸至太空，就像一個保護罩一樣，使地球的大氣層保持在适當的位置，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将近 100 倍。

　　當太陽抛射的日冕物質撞擊地球磁場時，就會産生壯麗的極光。

　　在地球表面下約 2800 公裡處，地核的液态外核在不斷流動，為無形的地磁場提供了動力。翻滾的導電岩漿産生了電荷，而這些電荷決定了磁極的位置，并形成了無形的磁力線。這些磁力線包裹着地球，連接着南北磁極。

　　地核和磁場之間的相互作用十分複雜。外核中的熔融鐵、鎳的對流導緻某些地方極具磁性，而另一些地方則磁性較弱。英國利茲大學地球與環境學院副教授、該研究的主要作者克裡斯托弗 · 戴維斯表示，地球表面的磁場強度會随着時間而變化，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，就像一鍋沸水裡的水流一樣，”戴維斯說，“因此在地核内部，流體和磁場之間的相互作用是不同的。”換句話說，當液态外核 “沸騰”時，這種運動在地核不同部分導緻磁力的起伏，從而決定了這些區域如何影響磁層。

　　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，比如高緯度地區的強磁場區域;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，即南大西洋異常區。

　　早在幾個世紀以前，水手們就在航海日志中記錄了這一區域的磁場變化;近幾十年來，衛星和天文台都捕捉到了這種變化。據此前的報道，近年來的觀測表明，在過去的 160 年裡，地球磁場的強度實際已經減弱，這表明地球可能會更早地經曆地磁逆轉。

　　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性。“我們知道磁極會發生倒轉，但在數千年到數百萬年的時間裡，磁場究竟是如何變化的，仍然有很多信息等待發現，”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?”

　　追蹤流向

　　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據。戴維斯表示，磁場變化可以體現在海洋沉積物、冷卻的熔岩流，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，這個模型也隻能向我們展示地核頂部的磁場;我們不能‘看到’地核内部，”戴維斯補充道，“因此，我們将這些結果與計算機模拟的磁場産生的物理過程結合起來。”歸根結底，磁場的産生源自地核的運動。

　　戴維斯和康斯特布爾發現，在磁場變弱的地區，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。

　　模拟結果表明，當地核熔融區域的方向逆轉時，磁場方向将發生劇烈變化。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磁場變化最快的新證據表明，未來科學家應該把注意力放在這些區域。

　　康斯特布爾說：“對這些模拟過程中不斷變化的動力學進行更深入的研究，将為我們提供有用的策略，以記錄這種快速變化如何發生，并了解這種變化是否也會出現在像我們今天這樣的磁極穩定時期。”該研究的結果在線發表在 7 月 6 日的《自然 - 通訊》雜志上。