地球磁極面臨大反轉(zhuǎn)? 專家:磁場正在迅速減弱

強(qiáng)烈的太陽風(fēng)暴每隔大約11年就要來一次，不過從百年來的發(fā)生情況來看，似乎對我們影響不大，為什么呢？因?yàn)榈厍蛴袀€大盾牌，那就是地球磁場，它消解了絕大部分來自太陽的高能粒子和帶電粒子。然而近期的科學(xué)研究表明，地球磁場正在迅速減弱，這是否意味著又一次地球磁極翻轉(zhuǎn)的開始？ 2012年左右新一輪太陽風(fēng)暴又要來了，有人預(yù)測會來得很猛烈，這個盾牌會在多大程度上保護(hù)我們的地球？

　　地球之“盾”——磁層正迅速變?nèi)?br/>
　　遼寧日報(bào):近來關(guān)于太陽風(fēng)暴的報(bào)道引起了人們的關(guān)注，比如8月上旬暴發(fā)的一次太陽風(fēng)暴已經(jīng)到達(dá)地球，只是這次強(qiáng)度較小，有科學(xué)家預(yù)測未來幾年將很強(qiáng)烈，也許會給地球帶來災(zāi)難性影響，而我們今天討論的就是地球面對太陽風(fēng)暴的一個重要的自我保護(hù)措施——地球磁場，那么您覺得地球磁場是否能肩負(fù)起抗擊未來幾年強(qiáng)烈太陽風(fēng)暴的重任？

　　楊學(xué)祥:最強(qiáng)烈的太陽風(fēng)暴源于太陽黑子活動的峰年期。黑子的實(shí)質(zhì)是劇烈活動的呈緊密纏繞狀態(tài)的太陽環(huán)向磁場，它像拉緊的皮筋，易被扯斷，扯斷之后太陽大氣中的能量會釋放出來，形成耀斑，向太陽系空間發(fā)射出大量高速高能粒子和帶電粒子的混合體等，形成強(qiáng)烈的太陽風(fēng)，我們習(xí)慣稱它為“太陽風(fēng)暴”。這些被拋射出的粒子會到達(dá)地球，撞擊地球磁場和大氣層，但絕大部分太陽高能粒子被阻擋在地球磁層之外，僅有少量沿著地球磁力線進(jìn)入地球。地球磁場的磁力線從南極流向北極，在兩極地區(qū)形如漏斗，尖端對著地球的南北兩個磁極，因此粒子流會沿著地磁場這個“漏斗”沉降，一般進(jìn)入地球的兩極地區(qū)，兩極的高層大氣，受到轟擊后會發(fā)出光芒，形成極光。地球磁場實(shí)際上是對太陽風(fēng)暴起到了一個屏蔽、抵御和保護(hù)地球的作用。

　　遼寧日報(bào):看來地球磁場的作用還是很大的。

　　楊學(xué)祥:地球磁場是地球的重要物理場和環(huán)境因素之一，展布的空間很大，包圍地球，保護(hù)著地球上的生物免受宇宙輻射的傷害，起到“盾”的作用，其中就包括把絕大部分太陽風(fēng)粒子阻擋在地球之外，對人類的生存和發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。

　　遼寧日報(bào):人們關(guān)注太陽風(fēng)暴，往往注重其本身的強(qiáng)度，比如通過觀測黑子活動的情況、太陽釋放粒子的密度來判斷太陽風(fēng)暴的規(guī)模，進(jìn)而分析對地球可能造成的影響，這沒錯，但既然磁場對太陽風(fēng)暴有一個抵御的作用，那么我們就不僅要關(guān)注“矛”有多鋒利，還要關(guān)注我們的“盾”是否堅(jiān)硬。

　　楊學(xué)祥:是的，我們一方面要觀察、研究太陽風(fēng)暴本身，一方面還要考慮地球磁場和大氣的防護(hù)能力，兩者綜合起來才能把影響考慮周全。尤其是地球磁場，不但被我們關(guān)注得少，而且這個“盾”也并不讓人樂觀，有研究發(fā)現(xiàn)，我們的地球磁場正在減弱。

　　歷史上的磁極反轉(zhuǎn)都伴隨著磁場異常和強(qiáng)度減弱

　　遼寧日報(bào):磁場強(qiáng)度在變?nèi)酰?br/>
　　楊學(xué)祥:科學(xué)家的近期研究表明:地球磁場正在迅速減弱。在過去的160年里，磁場強(qiáng)度令人吃驚地下降了10%。比如丹麥行星科學(xué)中心一個研究小組，詳細(xì)分析了丹麥“阿斯泰茲”號人造衛(wèi)星收集的最新資料，在對比新舊數(shù)據(jù)后驚訝地發(fā)現(xiàn)，地球兩極的磁場正在變化，南大西洋和北冰洋的磁場都出現(xiàn)了多個大洞?？茖W(xué)家分析，南大西洋和北冰洋下方的液體金屬地核(外核)可能出現(xiàn)了巨型渦流，從而影響了其上空的磁場。由于巨型渦流的力量足以逆轉(zhuǎn)其他渦流的方向，因此極有可能令地磁場南北極就此開始大翻(反)轉(zhuǎn)。另外通過對1980年～2000年的地球磁場研究發(fā)現(xiàn)，地球磁場存在很大的地理差異：在亞洲、太平洋地區(qū)磁場變化較小，非洲、歐洲和大西洋的變化非常大，變化最大的地區(qū)是非洲南端，在這個地區(qū)的磁場極性與正常的極性剛好相反。

　　遼寧日報(bào):這是否預(yù)示著出現(xiàn)另一次地磁翻轉(zhuǎn)的開始？聽說地球歷史上出現(xiàn)過多次“磁極反轉(zhuǎn)”。

　　楊學(xué)祥:磁極反轉(zhuǎn)作為地質(zhì)事件，在地球發(fā)展史上曾經(jīng)出現(xiàn)過，許多國家已經(jīng)從地質(zhì)勘測中研究火山巖和沉積物中的金屬粒子所構(gòu)成的遠(yuǎn)古磁場查到了地磁反轉(zhuǎn)的證據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，磁場在最近600萬年間發(fā)生了三次翻轉(zhuǎn)，這三次的間隔時間不等，最近的一次翻轉(zhuǎn)是在70萬年前。所以“翻轉(zhuǎn)”是在很長的時間尺度上發(fā)生的。而地磁場發(fā)生逆轉(zhuǎn)前，磁力急劇減弱，甚至出現(xiàn)零磁場，就是說磁場衰減是翻轉(zhuǎn)過程中的一種現(xiàn)象。目前有些地區(qū)地磁場的強(qiáng)度確實(shí)有下降的趨勢，但是否意味著磁場的強(qiáng)度還會持續(xù)降低，是否意味著地磁將要在未來千百年的尺度內(nèi)翻轉(zhuǎn)，科學(xué)家還存在爭議，沒有定論，需要繼續(xù)觀測和深入研究，英國的《自然》雜志和美國的《科學(xué)》雜志近幾年都相繼發(fā)表相關(guān)的文章對這一現(xiàn)象進(jìn)行了探討。

　　遼寧日報(bào):那么，為什么會產(chǎn)生地球磁極翻轉(zhuǎn)或者說倒轉(zhuǎn)的情況？地球磁場是怎么產(chǎn)生的？

　　楊學(xué)祥:地球是一個各圈層差異旋轉(zhuǎn)的分層地球，即地殼、上地幔、下地幔、外核和內(nèi)核旋轉(zhuǎn)的角速度不同，其中內(nèi)核快速旋轉(zhuǎn)，由固態(tài)的鐵組成，外核是黏滯性很低的導(dǎo)電液態(tài)鐵；在差異旋轉(zhuǎn)及各種天體的作用力下，在外核尤其是內(nèi)外核交界處形成快速旋轉(zhuǎn)的環(huán)形電流，從而生成了地磁場。地核和地幔的差異旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致圈層角動量交換，部分自轉(zhuǎn)動能通過摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，積累在外核，形成地球內(nèi)部唯一的液態(tài)圈層。與此同時，由于角動量交換，地核旋轉(zhuǎn)變慢，地幔旋轉(zhuǎn)變快，圈層差異旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生反向變化，導(dǎo)致地球磁極倒轉(zhuǎn)。所以，地磁變化與外核旋轉(zhuǎn)熱渦流密切相關(guān)。根據(jù)人造衛(wèi)星過去20年錄得的磁場變化數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在地下深層產(chǎn)生地球引力的熔流，在接近南北極位置出現(xiàn)巨大旋渦，并以加強(qiáng)磁場逆轉(zhuǎn)的方向轉(zhuǎn)動，因而削弱現(xiàn)有磁場，可能會導(dǎo)致兩極易位。

　　遼寧日報(bào):地球磁極反轉(zhuǎn)對地球會產(chǎn)生怎樣的影響？

　　楊學(xué)祥:地磁極反轉(zhuǎn)首先能引發(fā)強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動。熱能積累在外核導(dǎo)致地核膨脹，脹裂地幔，核幔邊界的地幔熱流——熱幔柱順勢上升，形成地表巨大火山區(qū)。這是中生代溫暖期火山頻發(fā)與異常的靜磁帶 (地磁極性長期不變帶)對應(yīng)的原因。其次，地磁極性反轉(zhuǎn)會產(chǎn)生一個地磁強(qiáng)度為零的時期。大家知道地球生物曾經(jīng)發(fā)生過大滅絕的現(xiàn)象，比如某些有孔蟲在幾百萬年前之突然全部滅種、中生代恐龍之突然滅絕等，但同時一些其他種類的動物突然出現(xiàn)，比如哺乳動物，這些突變都與地磁反轉(zhuǎn)在時間上有吻合之處。是否是由于失去地磁的保護(hù)，太陽風(fēng)的高能粒子橫掃地球表面導(dǎo)致生物滅絕？這值得我們研究，特別是零磁場與生物演進(jìn)的關(guān)系。但確切的關(guān)系是怎樣的，我們還不清楚，因?yàn)槟壳皝碚f在數(shù)據(jù)上的證據(jù)并不充分。另外，利用現(xiàn)在技術(shù)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)研究也沒有可行性，任何一個實(shí)驗(yàn)室都無法完成如此巨大規(guī)模的模擬實(shí)驗(yàn)。

　　磁場減弱將使南北兩極海冰大量融化

　　遼寧日報(bào):也許發(fā)生磁極反轉(zhuǎn)將在很遙遠(yuǎn)的未來，而且磁極反轉(zhuǎn)的具體影響還未弄清楚，但我們還是要對目前磁場的減弱予以關(guān)注，因?yàn)橐l(fā)生強(qiáng)烈的太陽風(fēng)暴了，地球磁場的減弱是否會對其“抵抗”太陽風(fēng)暴、保護(hù)地球不利？

　　楊學(xué)祥:太陽風(fēng)暴發(fā)生過程中來自太陽的帶電粒子很容易迸入極區(qū)產(chǎn)生電離作用，產(chǎn)生極光，引起磁暴和電離層暴，它在地磁場中的運(yùn)動會產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)電流，其結(jié)果可能導(dǎo)致該地區(qū)電網(wǎng)變壓器的銅線快速加熱并融化，電流失去控制，嚴(yán)重?fù)p壞該地區(qū)的電力系統(tǒng)、通訊線路，如果地球磁場強(qiáng)度減弱，捕獲能力就會減弱，那么發(fā)生電離的范圍就會擴(kuò)大，電網(wǎng)等被損害的范圍可能會隨之加大。

　　遼寧日報(bào):記得2009年美國科學(xué)家在對2012、2013年的太陽風(fēng)暴預(yù)測及報(bào)告中提到“美國、加拿大，甚至中國、日本等會出現(xiàn)全國性停電”的情況，按以前發(fā)生的太陽風(fēng)暴來看，不會對中國、日本這樣的總體上屬于中緯度的國家產(chǎn)生太大的影響，但這次他們的預(yù)測如此悲觀，是否就是把地磁變化考慮進(jìn)去了？

　　楊學(xué)祥:因?yàn)檫€沒有看到報(bào)告科研方面的原文，所以其具體的預(yù)測根據(jù)還不得而知，但地磁變化應(yīng)該成為我們研究這次太陽風(fēng)暴影響的重要的考慮因素，加以重視。

　　遼寧日報(bào):在地磁減弱、太陽風(fēng)暴猛烈的情況下，地球的氣候、天氣是否也會受其影響？

　　楊學(xué)祥:計(jì)算機(jī)模型的計(jì)算結(jié)果表明，如果兩個磁極的強(qiáng)度繼續(xù)減弱，則來自太陽的粒子流便可能使高達(dá)40%的地球高緯度臭氧被破壞，每次的破壞時間將長達(dá)數(shù)月至一年之久，這也為南北極海冰融化提供了合理的解釋。

　　遼寧日報(bào):您具體給我們講講。

　　楊學(xué)祥:到達(dá)地球的太陽輻射能大約有2%被平流層的臭氧吸收，7%被電離層吸收。當(dāng)黑子活動高峰發(fā)生太陽風(fēng)暴時，會大量破壞南極臭氧，隨之產(chǎn)生“臭氧洞漏能效應(yīng)”和“地磁層漏能效應(yīng)”，使被臭氧層阻隔的2%的太陽能由平流層進(jìn)入對流層，導(dǎo)致南極平流層變冷對流層變暖。收縮的平流層自轉(zhuǎn)變快，膨脹的對流層自轉(zhuǎn)變慢，這是赤道高空風(fēng)產(chǎn)生的一個原因。拉馬德雷現(xiàn)象就是太平洋上空高速氣流方向轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象，拉馬德雷暖位相增強(qiáng)厄爾尼諾事件，拉馬德雷冷位相增強(qiáng)拉尼娜事件，從而影響大氣環(huán)流和全球氣候變化。這兩個“漏能效應(yīng)”也使太陽能量進(jìn)入兩極，北極和南極大陸邊緣的海冰大量融化，打開南美洲德雷克海峽的海冰開關(guān)，減弱秘魯寒流，進(jìn)一步增強(qiáng)厄爾尼諾現(xiàn)象。與此同時，增高的海洋表面溫度使更多氯元素從海洋進(jìn)入大氣，使臭氧洞進(jìn)一步擴(kuò)大，從而進(jìn)一步影響氣候，增加災(zāi)害性天氣發(fā)生的幾率。地球歷史表明，強(qiáng)地磁場對應(yīng)地球的寒冷氣候，如第四紀(jì)冰期；弱地磁場對應(yīng)高溫氣候，如中生代的溫暖期。地磁場減弱也是全球變暖的原因之一：地磁場減弱導(dǎo)致更多太陽能量進(jìn)入地球。

　　地球磁場本身異常是引起氣候、地質(zhì)等變化的重要因素

　　遼寧日報(bào):太陽風(fēng)暴的各種粒子會干擾地球的磁場，如果非常強(qiáng)烈的話，是否會使地球磁場本身發(fā)生較明顯的變動？

　　楊學(xué)祥:太陽風(fēng)和地磁暴的相關(guān)性是明顯的，會引起高層大氣磁活動和環(huán)形電流的相應(yīng)變化。已有研究表明，太陽風(fēng)與地球磁層頂相互作用，在極區(qū)上空的電離層中形成極區(qū)電急流。極區(qū)電急流通過地球磁力線傳至中低緯度地區(qū)的電離層中，擾動電離層，不久之后，會發(fā)生災(zāi)害性天氣。所以，地表和大氣的電磁變化值得關(guān)注。

　　遼寧日報(bào):那么，地球磁場本身的變化對地球，比如氣候變化、地質(zhì)變化有無影響？

　　楊學(xué)祥:人們普遍忽視地電和地磁的存在，認(rèn)為它們很微弱。事實(shí)并非如此。一個偶然的機(jī)會，我發(fā)現(xiàn)一片樹林明顯地向北方傾斜，原來北部有平行的高壓電線，電磁能對樹林而言竟比太陽光更具有吸引力。地磁場的異常變化使地表地電場也發(fā)生變化，形成地電正異常區(qū)和負(fù)異常區(qū)。地表水從地電正異常區(qū)蒸發(fā)到高空，帶的是正電；從地電負(fù)異常區(qū)蒸發(fā)到高空，帶的是負(fù)電。帶有異種電荷的云團(tuán)最容易相互吸引而形成雷雨。相反，帶有同種電荷的云團(tuán)相互排斥，形成該地區(qū)的干旱。冰島、非洲中西部和南大西洋是三個負(fù)電異常區(qū)，它們之間的地區(qū)是明顯的干旱區(qū)，其中就有最干旱的撒哈拉沙漠；其兩側(cè)的北美洲和亞洲是正電異常區(qū)，在正、負(fù)電異常的交界帶，是高降水量區(qū)。當(dāng)電磁異常區(qū)發(fā)生變動時，電場的強(qiáng)度和極性也發(fā)生相應(yīng)變化，由此引起的降水量改變導(dǎo)致全球旱澇災(zāi)害在不同地區(qū)發(fā)生。

　　談到地質(zhì)變化，地磁地電還與地震有密切關(guān)系，現(xiàn)在地震觀測的一個重要手段就是對地磁(電)的監(jiān)測。至于內(nèi)在的機(jī)理，舉個例子，攜帶大量磁性粒子的地下巖漿因?yàn)槭サ卮诺氖`而改變流向和流速，流向的改變將使地球固有板塊的運(yùn)動規(guī)律發(fā)生變化，而流速的降低將使巖漿自身的溫度平衡機(jī)制遭到破壞，使地球不同部位之間地溫溫差增大，這將會產(chǎn)生地震頻率和強(qiáng)度的增加。

　　遼寧日報(bào):聽您這么一說，感覺地球磁場及其變化太重要了，與抵御太陽風(fēng)暴、氣候變化、地質(zhì)災(zāi)害都有密切的關(guān)系，看來我們應(yīng)該密切注意地球磁場變化以做好各方面的預(yù)測、預(yù)防。

　　楊學(xué)祥:是的，應(yīng)該說我們對地球磁場的重視程度及研究水平還很不夠，但是正像你說的那樣，種種跡象和研究表明，地球磁場是地球變化的重要因素，我們必須加強(qiáng)這方面的研究，特別是與太陽風(fēng)暴關(guān)系的研究。近年來，全球地震、干旱、洪水、高溫等極端氣候的出現(xiàn)，不能排除和地磁減弱的關(guān)聯(lián)。如果在今后若干年內(nèi)，這些災(zāi)害氣候頻率和強(qiáng)度有增加趨勢的話，并且地表測得宇宙射線輻射劑量同步增大，則可以確認(rèn)這種關(guān)聯(lián)。

　　遼寧日報(bào)：謝謝您的講解。

　　專家檔案

　　楊學(xué)祥，吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授。主要從事地球動力學(xué)和自然災(zāi)害研究，發(fā)表文章近百篇，出版專著《地球差異旋轉(zhuǎn)動力學(xué)》。主持完成國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“地球各圈層能量交換過程與全球變化的關(guān)系”。 2000年被評為吉林省第六批有突出貢獻(xiàn)的中青年專業(yè)技術(shù)人才。 2004年和2010年被聘為中國地球物理學(xué)會天災(zāi)預(yù)測專業(yè)委員會委員。