地球磁场即将反转？

地球为什么有磁场？磁场又为什么会反转？近来对于地球内部的相关研究，为下次的地磁反转提供了新的线索。
撰文╱格拉兹麦尔（Gary A. Glatzmaier）、欧尔森（Peter Olson）
翻译／傅宗玫

利用电脑模拟的地球发电机，其磁力线显示出，地球磁场在地核外的部份比在地核内部单纯得多（地核内遍布纠结的线条）。磁场主要由南极附近穿出地表（黄色长线），而在北极附近进入地表（蓝色长线）。

大部份的人都认为，磁针会指向北方是理所当然的。数千年来，水手靠着地球的磁场来导航；而鸟类和其他能感应磁场的动物，则已经运用这个方法有更长一段时间了。然而奇怪的是，地球的磁极并不是一直都朝着现在所指的方向。

有些矿物可以记录地球磁场的方向；根据它们的记录所显示，在地球45亿年的历史中，地磁的方向已经反覆南北倒转了好几百次。不过，在最近的78万年内都未曾发生过倒转──这比之前发生倒转的平均间隔时间25万年要长了许多。此外，地球的主要磁场自1830年首次测量至今，已经减弱了将近10％。这个速率相当于在失去能量来源的情况下，磁场自然消退速率的20倍。难道是，下一次的地磁反转即将来临？

地球物理学家很早就知道，地球磁场变化的原因深藏于地球中心。地球就如同太阳系里的一些其他天体，是利用内部的发电机来产生磁场。基本上，地球发电生磁的机制就和普通发电机一样，藉由某个部份运动的动能，产生电流和磁场。在一般的发电机里，运动的部份是旋转的线圈；而在行星或恒星里，运动的则是导电的流体。在地球核心，有着体积相当于六个月球、处于熔融状态的铁，形成不断环绕流动的汪洋，构成了所谓的地球发电机（geodynamo）。

地球内部清楚的分成几个层次，包括液态的外核──该处的乱流对流形成了复杂的循环结构，进而产生地球磁场。

一直以来，科学家主要是靠着简单的理论来解释地球发电机和其神秘的磁力。但最近10年，研究人员发展出新的方法来探索地球发电机的详细运作机制。人造卫星能清楚拍摄地表磁场的图像；而利用超级电脑来模拟地球发电机，以及在实验室里建立的物理模型，则解释了轨道上的观测结果。这些工作，对于过去的磁极反转提出了一套很有意思的解释，更对下一次的反转事件将如何展开，提供了新的线索。

驱动地球发电机
在我们开始探索磁场如何反转之前，必须先了解，是什么力量驱动着地球发电机。在1940年代前，物理学家便已明白，行星要能产生磁场，必须满足三项基本条件；之后的发现都是建构在这个基础上。第一要件，要有大量的导电流体──地球的外核为液态，且富含铁质。这关键性的外核包覆着几乎是由纯铁所组成的固态内核，深埋在厚重的地函与极薄的大陆、海洋地壳之下，距离地表的深度约2900公里。地壳和地函的重量，使地核内的平均压力高达地表压力的200万倍。此外，地核的温度也十分极端──约为5000℃，相当于太阳表面的温度。

这些极端的环境条件，构成了行星发电机的第二要件：流体运动的能量来源。驱动地球发电机的能量，部份是热能，部份是化学能──两者都在地球核心深处造成浮力。就像一锅在炉上烧着的汤一样，地核底部比顶部热。（地核的高温来自地球形成时囚禁在中心的热能。）因此地核底部那些较热、密度较低的铁会上升，就像热汤里的大气泡那样。当这些液体到达地核顶端，碰到上方的地函时，会丧失部份的热。于是液态铁会冷却、密度变得比周围环境高，因而下沉。这个透过流体的上升及下沉，将热能由下往上传送的过程，称为热对流。

来自 http://www.sciam.com.tw/read/re...ocNo=670&CL=4