新模型揭示地磁场变化速率比预计的快 10 倍

北京时间 7 月 15 日消息，在近期的新研究中，科学家通过模拟显示了 10 万年以来地磁场的动态变化，揭示地球磁场改变方向的速度要比原先预计的快得多。

地磁场源自于地球内部，延伸至太空，就像一个保护罩一样，使地球的大气层保持在适当的位置，并保护生命免受宇宙辐射和太阳风的伤害。不过，地磁场平均每几十万年就会发生一次地磁逆转，即磁北极和磁南极突然（在地质时间尺度上）互换位置。上一次发生这种情况大约是在 78 万年前，称为布容尼斯 - 松山逆转。在之前的研究中，科学家估计这个过程需要数千年，以每年约 1 度的速度改变。

在这项新研究中，研究人员指出，地磁场的这种方向变化可能比以往认为的快 10 倍，并且比最近观测到的变化快将近 100 倍。

当太阳抛射的日冕物质撞击地球磁场时，就会产生壮丽的极光。这是在冰岛上空拍摄的极光景象

在地球表面下约 2800 公里处，地核的液态外核在不断流动，为无形的地磁场提供了动力。翻滚的导电岩浆产生了电荷，而这些电荷决定了磁极的位置，并形成了无形的磁力线。这些磁力线包裹着地球，连接着南北磁极。

地核和磁场之间的相互作用十分复杂。外核中的熔融铁、镍的对流导致某些地方极具磁性，而另一些地方则磁性较弱。英国利兹大学地球与环境学院副教授、该研究的主要作者克里斯托弗 · 戴维斯表示，地球表面的磁场强度会随着时间而变化，也会因地核的不同位置而改变。在熔融的地核中，“流体扭曲并拉伸磁场，而磁场反过来推动了流体，抵抗这种扭曲”。

“这种流体是很动荡的，简单来说，就像一锅沸水里的水流一样，”戴维斯说，“因此在地核内部，流体和磁场之间的相互作用是不同的。”换句话说，当液态外核 “沸腾”时，这种运动在地核不同部分导致磁力的起伏，从而决定了这些区域如何影响磁层。

非逆转时期地球磁场的计算机模拟图像。线条代表磁场线：从地核伸出时为黄色，回入地核时为蓝色

对今天的科学家来说，这些相互作用中的某些变化是可见的，比如高纬度地区的强磁场区域；向东或向西漂移的磁场特征；以及在非洲和南美洲之间的一个长期存在的磁场弱区，即南大西洋异常区。

早在几个世纪以前，水手们就在航海日志中记录了这一区域的磁场变化；近几十年来，卫星和天文台都捕捉到了这种变化。据此前的报道，近年来的观测表明，在过去的 160 年里，地球磁场的强度实际已经减弱，这表明地球可能会更早地经历地磁逆转。

不过，戴维斯指出，追踪遥远过去的磁场变化要比想象的更具有挑战性。“我们知道磁极会发生倒转，但在数千年到数百万年的时间里，磁场究竟是如何变化的，仍然有很多信息等待发现，”戴维斯说，“在我们的研究中，我们提出了这样一个问题：磁场在这些时间尺度上改变方向的速度能有多快？”

为了回答这个问题，戴维斯和该研究的合著者凯瑟琳 · 康斯特布尔建立了一种新的磁场模型。该模型使用了过去 10 万年间的大量磁场观测数据。戴维斯表示，磁场变化可以体现在海洋沉积物、冷却的熔岩流，甚至是人造结构和文物中。

“然而，像所有基于地球表面观测的模型一样，这个模型也只能向我们展示地核顶部的磁场；我们不能‘看到’地核内部，”戴维斯补充道，“因此，我们将这些结果与计算机模拟的磁场产生的物理过程结合起来。”归根结底，磁场的产生源自地核的运动。

戴维斯和康斯特布尔发现，在磁场变弱的地区，磁场方向每年的改变可达 10 度。这一变化速率比之前模型预测的结果快了 10 倍，比目前观测到的变化速率快 100 倍。

模拟结果表明，当地核熔融区域的方向逆转时，磁场方向将发生剧烈变化。这种地核逆转在赤道附近更为常见，与研究人员在低纬度地区观察到的磁场方向快速变化相吻合。研究人员在论文中写道，这项关于低纬度地区磁场变化最快的新证据表明，未来科学家应该把注意力放在这些区域。

康斯特布尔说：“对这些模拟过程中不断变化的动力学进行更深入的研究，将为我们提供有用的策略，以记录这种快速变化如何发生，并了解这种变化是否也会出现在像我们今天这样的磁极稳定时期。”该研究的结果在线发表在 7 月 6 日的杂志上。