Nature Communications：由古地磁觀測和發電機數值模擬推斷歷史上地磁場的快速變化
地球磁場能夠阻擋絕大部分宇宙射線，使得地球上的生物免受宇宙射線的侵害。目前普遍認為地球的主磁場是在地球的液態外核中通過磁流體發電機過程產生的，並且已經維持了至少有35億年左右。在過去的地質歷史時期，古地磁研究表明地磁場平均每幾十萬年會倒轉一次，倒轉的過程可能持續數千年。這期間，磁場整體強度將顯著降低，其抵禦宇宙輻射的能力會顯著減弱。
地磁場倒轉主要表現在地磁場整體強度的下降以及地磁場方向的快速變化，古地磁研究表明，在公元前1000年左右，Levantine區域磁場強度的年變化率達到了0.75-1.5μT，這顯著快於當前在Holocene區域的0.12μT每年的最大變化率。而最大地磁場方向變化被義大利中部的沉積物所記錄，達到了1°每年，是當前角方向變化率的十倍左右，和地磁場強度變化的差異類似。
地磁場整體強度及方向的快速變化與液態外核中動力學過程密切相關，但具體的相互關係和引起變化的物理機制仍不明確。僅僅依靠古地磁記錄很難呈現全球尺度地磁場的極端快速變化，發生極端快速變化是否有顯著的區域特徵目前仍然不是很清楚。
最近，英國利茲大學地球與環境學院的Christopher Davies及其合作者在Nature Communications發表相關文章（Davies and Constable, 2020），他們利用最近發展的古地磁模型GGF100k以及地球發電機數值模擬分析了過去十萬年來地磁場極性的穩定期、短時變化期以及倒轉期。為了能夠更好的對比古地磁的分析結果，作者同時考慮了局地（2°×2°的網格）磁場單位矢量
以及對應的等效偶極場單位矢量
，分別用這兩個矢量在兩個時間間隔的夾角來描述該位置的方向變化率（
，
）。每一次模擬得到的這兩個變化率的最大值即為「極端事件」並標記為ex。
兩個模型在模擬地磁場方向變化的幅值及緯度範圍變化方面取得了驚人的一致性（圖1），均發現最大方向變化率在地磁場強度下降期間能夠達到10°每年（圖2a），這幾乎是當前最快變化率的100倍。同時，研究也發現極端方向變化事件主要發生在緯度小於40°的區域（圖2b）。古地磁模型GGF100k中磁場方向變化率在全球以及不同緯度的對數正態概率密度分布（圖3a）以及對應的累積分布函數（圖3b）也證實高的磁場方向變化率主要發生在低緯度地區。
圖1 地球發電機和GGF100k模擬地磁場方向快速變化。（a，d）雷諾數為Rm=386的非反轉的地球發電機模擬；b、e.磁雷諾數Rm=450的一次反轉地球發電機模擬。（c，f）古地磁模型GGF100k的模擬結果。左列分別展示了三次模擬結果的磁場方向變化率在地球表面的分布結果，紅色的五角星代表了極端事件所在位置。右列展示了對應方向變化數據在20000年尺度內隨時間的變化過程
圖2 地球發電機和GGF100k模擬結果中的極端事件地磁場方向變化率的大小和位置隨磁雷諾數的變化。磁場矢量和等效地磁極的位置分別由
和
表示。（a）模擬的極端事件方向變化率大小隨磁雷諾數的變化。（b）極端事件對應的所在緯度隨磁雷諾數的變化。實心的方塊和空心的方塊分別為地球發電機模型CALS10k.2和古地磁模型GGF100k的模擬結果
圖3 極端地磁場方向變化事件的統計結果。（a）GGF100k模型在2°×2°經緯度網格內，100年的時間間隔磁場矢量的方向變化率的直方圖。黑色線代表擬合的平均值μ=0.009，標準差σ=0.011的對數正態概率密度分布（PDF）。插圖分別代表緯度為2.5°（紅色），22.5°（綠色），42.5°（藍色）的直方圖分布，黑線代表擬合概率密度分布函數。（b）GGF100k模型計算得到的不同緯度下的累計分布函數。（c）GGF100k和地球發電機模擬得到兩個不同緯度PDF的平均值的比值（由不同的下標表示）隨磁雷諾數的變化。（d）和（c）類似但是展示的是標準差的比值
為什麼會有以上展示的地磁場極端變化呢？這需要聯繫地球外核中的磁流體動力學過程。已有的研究表明，地球磁場的長期變化與核幔邊界上反向磁通量塊的區域密切相關（Reversed flux patch，該區域磁場方向與其所在半球背景磁場方向相反）（Olsenand Amit, 2006, Korte and Constable, 2011）。這些反向磁通量塊中，最大的一塊由南半球非洲南端下向西延伸至南美洲下方，該通量塊方向是由外向內進入地核，而南半球的大部分磁通量是指向外的。
為了研究地磁場方向劇烈變化和核幔邊界處反向磁通量塊之間的聯繫，作者設計了一個簡單的物理模型：核幔邊界的徑向場由孤立運動的磁通量塊疊加在一個靜態偶極磁場上，該偶極磁場由高斯球諧係數
所確定。磁通量塊則由振幅為A，半寬度
的Fisher-von Mises分布函數所確定。磁通量塊隨著時間，沿著經度和緯度方向運動。典型極端事件演化過程的模擬結果顯示，極端磁場方向變化事件的產生和向赤道方向運動的反向磁通量塊密切相關（圖4）。在其他條件完全相同的情況下，相比於正向磁通量塊，反向磁通量塊的運動能夠產生更快的地磁場方向變化（圖5）；極端方向變化事件主要發生在低磁傾角區域的主要原因是在這些區域，反向磁通量塊的磁場分布和偶極場相互抵消，磁場方向的變化則主要由非偶極場成分控制。
圖4 極端事件中虛擬地磁極、核幔邊界以及地表徑向磁場分量的演化過程。每一列代表了局地最大磁場方向變化周圍（白色五角星）虛擬地磁極緯度、地表以及核幔邊界的磁場垂直分量。每一行代表極端變化事件之前（左），過程中（中），和之後（右）。極端變化事件源於反極性的通量塊從東北方向遷移運動到最大變化所在的位置
圖5 核幔邊界處移動的磁通量塊產生磁場方向變化的過程。a.振幅A=10μT，初始緯度為60°向南移動到50o（左）然後再移動到40o（右）。從上到下每一列分別代表核幔邊界處垂直磁場分量、地表磁場垂直分量、地表虛擬地磁極緯度以及等效偶極場方向變化率。五角星代表核幔邊界磁通量塊的中心。b，c 由正向磁通量塊（A< 0, 用N表示）和反向磁通量塊（A> 0，用R表示）移動所產生的最快磁場方向變化
的大小和位置
本文的地球發電機模擬不僅覆蓋了廣泛的物理參數，而且模擬了倒轉和非倒轉的發電機狀態。儘管同其他發電機模型一樣沒有用能夠真實描述地核狀態的Ekman常數和Prandtl常數，模擬結果仍然能夠很好的展現很長時間尺度的地球磁場的特徵。極端地磁方向變化事件發生的地點和振幅與磁雷諾數無關，與此同時，模擬結果並不會因為改變模擬參數而發生改變，不同的Ekman和Prandtl能夠得到類似的模擬結果。
文章的主要結論是地磁發電機模擬以及古地磁模型均顯示歷史地磁場方向變化率能夠達到10°每年，這比局地古地磁數據估計的每年1°快得多，甚至是當前最快變化率的100倍，極端磁場方向變化來源於核幔邊界處反向磁通量塊的遷移，而由於反向磁通量塊更容易發生在赤道區附近，這就解釋了為何低緯度地區更容易發生快速的磁場方向變化，研究結果提醒研究者對地磁場方向變化的研究應該更關注低緯度地區，同時能夠給未來古地磁數據的獲取提供指導意義。
【致謝：感謝南方科技大學林玉峰副教授對本文提出的寶貴修改意見。】
主要參考文獻
Korte M, Constable C. Improving geomagnetic field reconstructions for 0–3ka[J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2011,188(3-4): 247-259.
Davies C J, Constable C G. Rapid geomagnetic changes inferred from Earth observations and numerical simulations[J]. Nature Communications, 2020, 11(1): 1-10.
Olson P, Amit H. Changes in earth’s dipole[J]. Naturwissenschaften, 2006, 93(11): 519-542.
（撰稿：羅浩/地星室）
校對：陶琴