新模型揭示地磁場變化速率比預計的快10倍

北京時間7月15日消息，在近期的新研究中，科學家通過模擬顯示了10萬年以來地磁場的動態變化，揭示地球磁場改變方向的速度要比原先預計的快得多。

地磁場源自於地球內部，延伸至太空，就像一個保護罩一樣，使地球的大氣層保持在適當的位置，並保護生命免受宇宙輻射和太陽風的傷害。不過，地磁場平均每幾十萬年就會發生一次地磁逆轉，即磁北極和磁南極突然（在地質時間尺度上）互換位置。上一次發生這種情況大約是在78萬年前，稱為布容尼斯-松山逆轉。在之前的研究中，科學家估計這個過程需要數千年，以每年約1度的速度改變。

在這項新研究中，研究人員指出，地磁場的這種方向變化可能比以往認為的快10倍，並且比最近觀測到的變化快將近100倍。

當太陽拋射的日冕物質撞擊地球磁場時，就會產生壯麗的極光。這是在冰島上空拍攝的極光景象

在地球表面下約2800公裡處，地核的液態外核在不斷流動，為無形的地磁場提供了動力。翻滾的導電巖漿產生了電荷，而這些電荷決定了磁極的位置，並形成了無形的磁力線。這些磁力線包裹著地球，連接著南北磁極。

地核和磁場之間的相互作用十分複雜。外核中的熔融鐵、鎳的對流導致某些地方極具磁性，而另一些地方則磁性較弱。英國利茲大學地球與環境學院副教授、該研究的主要作者克里斯多福·戴維斯表示，地球表面的磁場強度會隨著時間而變化，也會因地核的不同位置而改變。在熔融的地核中，「流體扭曲並拉伸磁場，而磁場反過來推動了流體，抵抗這種扭曲」。

「這種流體是很動蕩的，簡單來說，就像一鍋沸水裡的水流一樣，」戴維斯說，「因此在地核內部，流體和磁場之間的相互作用是不同的。」換句話說，當液態外核「沸騰」時，這種運動在地核不同部分導致磁力的起伏，從而決定了這些區域如何影響磁層。

非逆轉時期地球磁場的計算機模擬圖像。線條代表磁場線：從地核伸出時為黃色，回入地核時為藍色

對今天的科學家來說，這些相互作用中的某些變化是可見的，比如高緯度地區的強磁場區域；向東或向西漂移的磁場特徵；以及在非洲和南美洲之間的一個長期存在的磁場弱區，即南大西洋異常區。

早在幾個世紀以前，水手們就在航海日誌中記錄了這一區域的磁場變化；近幾十年來，衛星和天文臺都捕捉到了這種變化。據此前的報導，近年來的觀測表明，在過去的160年裡，地球磁場的強度實際已經減弱，這表明地球可能會更早地經歷地磁逆轉。

不過，戴維斯指出，追蹤遙遠過去的磁場變化要比想像的更具有挑戰性。「我們知道磁極會發生倒轉，但在數千年到數百萬年的時間裡，磁場究竟是如何變化的，仍然有很多信息等待發現，」戴維斯說，「在我們的研究中，我們提出了這樣一個問題：磁場在這些時間尺度上改變方向的速度能有多快？」

追蹤流向

為了回答這個問題，戴維斯和該研究的合著者凱薩琳·康斯特布爾建立了一種新的磁場模型。該模型使用了過去10萬年間的大量磁場觀測數據。戴維斯表示，磁場變化可以體現在海洋沉積物、冷卻的熔巖流，甚至是人造結構和文物中。

「然而，像所有基於地球表面觀測的模型一樣，這個模型也只能向我們展示地核頂部的磁場；我們不能『看到』地核內部，」戴維斯補充道，「因此，我們將這些結果與計算機模擬的磁場產生的物理過程結合起來。」歸根結底，磁場的產生源自地核的運動。

戴維斯和康斯特布爾發現，在磁場變弱的地區，磁場方向每年的改變可達10度。這一變化速率比之前模型預測的結果快了10倍，比目前觀測到的變化速率快100倍。

模擬結果表明，當地核熔融區域的方向逆轉時，磁場方向將發生劇烈變化。這種地核逆轉在赤道附近更為常見，與研究人員在低緯度地區觀察到的磁場方向快速變化相吻合。研究人員在論文中寫道，這項關於低緯度地區磁場變化最快的新證據表明，未來科學家應該把注意力放在這些區域。

康斯特布爾說：「對這些模擬過程中不斷變化的動力學進行更深入的研究，將為我們提供有用的策略，以記錄這種快速變化如何發生，並了解這種變化是否也會出現在像我們今天這樣的磁極穩定時期。」該研究的結果在線發表在7月6日的《自然-通訊》雜誌上。（任天）