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地球磁场为什么会发生倒转?地磁倒转正在进行?

在地球漫长的地质历史中,由于至今仍然鲜为人知的原因,地球磁场可以突然减弱并开始移动,甚至在几千年的时间内发生完全反向逆转,南北极对调。

这种地球磁极倒转的现象周期不固定,每隔10~100万年便会发生一次完全的南北极倒转,在过去的几亿年里,磁极至少反转了几百次。

上一次地磁倒转发生在78万年前, 称为松山-布容倒转(Brunhes-Matuyama reversal),地球磁极在不到100年的时间里完全倒转,这意味着一个人在有生之年便可见证地磁倒转这种全球性的宏伟过程。

地球磁极为什么会发生倒转呢?

这源于地球结构。

在地球形成之始并无地磁场,随着岩浆分异,浊者沉而轻者浮,核幔壳三分,地球磁场始成。

地磁场就是由地核外核的磁流体发电机过程所产生,这个观点最早由英国科学家Larmor于1919年首次提出,其基本原理是:地球外核的导电铁流体受热浮力和组分浮力等因素的驱动, 产生对流运动; 根据电磁感应理论,导电流体在磁场中的运动将产生电流,该电流继而激发产生磁场;由磁场引起的电磁力反过来又影响着流体的运动,从而形成一个自维持的“发电机”,称为地球发电机。

天体产生和维持发电机运转必须满足3个条件: (1) 内部存在大体积的导电流体;(2) 驱动流体运动的能量;(3) 较快的自转速度,这3个条件地球都满足。

由于地球发电机模型能较好地模拟出地磁场的空间形态(偶极场为主, 南北半球分布的局部极值区域等), 并能再现地磁场随机性的倒转和极性漂移, 以及地磁场西向漂移等主要时变特征,因此已被大多数科学家所接受。

在地球发电机的作用下,地球形成了一个磁场强度较稳定的南北磁极,磁感线以弯曲的弧线连接地磁两极。

在面向太阳的地球一侧,地磁场首当其冲地承受了太阳风的冲击,磁层被压缩到地球半径的大约6到10倍,而在地球的黑暗一侧,磁层流入太空,可以延伸数百个地球长度。

地磁场产生的磁层如同一个防护罩,阻挡了大量宇宙射线和太阳风高能粒子的侵袭,保护着地球上的生命。

最早的地磁场记录可以追溯到到 35~40亿年前,但是在地球几十亿的演化过程中,地球磁场在空间和时间上都是变化。

例如在空间分布上, 现今的地磁极型场主要由一个偶极场构成——这是地磁场具有南北极的原因。而整个极型场的强度、倾角和偏角在地表并不随磁纬、磁经规则地分布(磁极与地理极存在11°夹角)。以2015年地表的地磁场为例,地磁强度在北美、西伯利亚和南极大陆附近达到极大值。 而在中太平洋和南美洲中部存在极小值。

地磁场不仅空间分布不均匀, 而且随着时间在不断演化, 按时间尺度可分为慢速变化和快速变化。慢速变化(又称长期变化)包括地磁在稳定期的强度改变、磁极在地表的移动和磁场西向漂移(westwarddrift)等现象;快速变化则主要表现为地磁倒转( geomagnetic reversal)或地磁漂移(geomagnetic excursion)。

地磁倒转和地磁漂移在短时间内,地磁极的变化远离了地球磁场长期变化正常范围,发生时间小于10000年,并且伴随着地球磁场的结构复杂化。

在地磁漂移事件中,地磁强度将大幅度减弱,并开始漂移,但不会自行反转,随后磁场重新加强,两极最终返回到其初始位置。

自20世纪初法国和日本地球物理学家Brunhes(伯纳德·布容)和Matuyama(松山基范)发现最早发现火山岩中记录的磁方向与现今的地磁场方向近乎反向,证实了地球地磁漂移和倒转现象。

迄今为止,发生于4.1万年的拉尚地磁漂移事件(Laschamp excursion)是最早发现的地磁漂移事件, 也是目前研究最为详尽的地磁漂移事件之一.

拉尚地磁漂移事件于1969年首次在法国奥弗涅区的拉尚熔岩流的古地磁研究中得到证实,随后在全球多地的火山碎屑沉积、树木化石、黄土沉积中都找到相应的证据。

从4.2万年开始,地球磁极从地理两极明显向地球赤道偏移,伴随着地磁场漂移,磁场强度明显减弱,暴跌至现代值得近4-6%,磁层半径缩小到地球半径的3倍左右。

在此期间,由于没有强大的两极磁场,高能太阳风粒子很难被地磁场偏转,它们可以直接撞击中低纬度的大气层,导致中低纬度的大气层高度电离,因此在全球各地都可以产生流光溢彩的极光现象,使夜晚的天空看上去类似于科幻电影中的一些神秘场景。

这种场景大约持续了1300年,地球磁场才逐渐恢复到原来的强度和倾斜度。

地磁倒转的机理假说

但是对于地球为何会发生地磁倒转和地磁漂移,地质学家仍没有清晰的认识。

因为地磁场起源于地 表2900 km以下的地球外核(呈液态, 又称液核),温度和压强极高, 对该处物质的物理、化学性质和过程,热状态和边界条件等情况还知之不详。虽然现在数值模拟已经可以在计算机中再现地磁场的倒转,但是模拟的近似程度和采用的参数远未达到地球的真实情况,因此很难说已确切知道地磁倒转的原因。

虽然地磁倒转看似随机, 但在非常长的时间尺度上, 地磁倒转会受到地幔对流的控制, 因为地幔对流会改变核幔边界的热流, 从而影响液核的磁流体运动, 进而改变磁场,例如地球物理学家Amit和Olson认为下地幔超级地幔柱的生成会引发地磁场倒转, 原因是超级地幔柱的生成增强了核幔边界的热流及其分布不均匀性; 当超级地幔柱消亡时, 相反的效应将阻止地磁倒转的发生。

因此地幔对流结构的不对称性可能导致地球磁场的南北磁极发生一种低速运动,长时间的运动造成地磁漂移。

也有科学家认为地球自转速度(日长)的改变也许是另一个触发地磁倒转的原因。他们发现地球自转速度变化可以影响地磁场的西向漂移,改变地磁场的强度,并且地磁场强度的相对变化幅度比自转速度变化更大。

除此之外,还有其他一些因素也影响着液核的磁流体发电机过程, 因而也影响着地磁场的倒转, 这些因素包括核幔边界和内外核边界的地形、核幔和内外核的较差自转、内核生长过程、内核与下地幔电导率分布、引潮力和进动驱动的对流等。

综上所述,一个统一的地磁漂移的理论还没有建立起来,所有学地球物理的小伙伴们:革命尚未成功,同志们仍需努力。

如何知道地球历史上磁极发生倒转?

上世纪初,科学家首先在火山岩中发现了地磁逆转的证据。

因为在地磁漂移期间,喷出的火山岩浆会获得当时地球磁场的记忆,当火成岩冷却时,它们会随着当时的磁场方向被磁化,一旦形成岩石,就很难在消失。

因此,通过研究在不同地质时期形成的火山岩,科学家可以找到地球磁极流浪的历史。例如地球磁力反转的最佳记录之一来自美国俄勒冈州东南部的斯蒂恩斯山。在这里,一系列重叠的中新世时代玄武岩熔岩流记录了地球地磁历史几千年的复杂历史。值得注意的是,斯蒂恩斯山的记录证明了大约1550万年前,地球磁极以极快的速度(每天3到8度)发生地磁逆转。

但是不幸的是,火山爆发不会持续喷发,具有间断性和不连续性,不能完成的记录某一时期地球磁场的变化。

于是科学家开辟了第二条道路,通过研究黄土、湖泊、深海沉积物的序列来寻找地球磁场变化的痕迹,它们并提供连续的磁化地层序列。

当地磁漂移事件发生时,地磁场强度变低,对于高能宇宙射线的屏蔽作用减弱,大量的高能带电粒子进入地球大气层,通过电离辐射破坏地球臭氧层,宇宙射线长驱直入,不同的宇宙核素在宇宙射线的作用的形成,它们被雨水带入海洋,就会粘附在沉降到海底的矿物颗粒上,形成不间断的地磁异常记录。例如在拉尚漂移磁极期间,气中放射性碳14C含量会显著升高,沉降的14C会被树木吸收并保留,因此14C的变化可以反映当时地磁场的变化。

下一次地球磁极逆转正在进行?

在过去的200年中,地球的磁场强度下降了约10%。并且南大西洋存在一个神秘的地磁异常区,称为南大西洋异常区(South Atlantic Anomaly 简称:SAA),范围跨越大西洋,从智利延伸到津巴布韦。

在这些区域,地磁场强度正在迅速下降,卫星经过这里时频频发生故障,这导致人们猜测地球正朝着磁极性逆转的方向发展,并认为按照这个速度,地球可能在未来的2000年内发生地磁倒转。

但是也有科学家反驳:南大西洋地区磁场的奇怪行为早在800万到1100万年前就存在,该异常区是一个反复出现的现象,不太可能代表地球磁场即将逆转。

而且地球过去的地磁场也存在类似于今天南美洲和南大西洋的南大西洋异常的弱强度区域。例如41,000年前的拉尚地磁漂移事件,然而,当时的异常现象并没有导致地磁场逆转,大约一千年后,磁场恢复到原来的稳定状态。因此,地球正处于地磁逆转纯属扯淡。

参考资料:

刘成英,高鹏,毛鹏宇,聂军胜.新生代地磁漂移研究若干进展[J].海洋地质与第四纪地质,2019,39(02)

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李力刚.地磁倒转的原因是什么?[J].科学通报,2016,61(13):1395-1400.

41000年前,位于赤道就能看极光,看看看着尼安特人就灭绝了 - 寒武纪来客的文章 - 知乎

https://zhuanlan.zhihu.com/p/448235784

Leonardo Sagnotti, Giancarlo Scardia, Biagio Giaccio, et al. Extremely rapid directional change during Matuyama-Brunhes geomagnetic polarity reversal,Geophysical Journal International, Volume 199, Issue 2, November 2014, Pages 1110–1124

https://phys.org/news/2016-11-marine-sediments-variations-earth-magnetic.html

https://phys.org/news/2008-09-lava-reveal-clues-magnetic-field.html

https://phys.org/news/2018-04-earth-magnetic-field-reverse.html

https://phys.org/news/2014-10-earth-magnetic-field-flip-human.html

https://phys.org/news/2020-07-reveals-strange-magnetic-behaviour-.html

posted @ 22-07-03 10:27 作者:admin  阅读:
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