最近有些朋友在網上轉，說美國國家航空航天局(NASA)公布的地磁圖上，就像下邊微博附帶的圖上一樣，用紅藍顏色代表地球磁場強度時，在南大西洋的上空有個地球磁場強度非常低(藍色)的區域，範圍還特別大。一些報導用上了「斷裂」「大坑」「凹痕」等形容，以及「奇怪」「可怕」「嚴重」之類的詞彙，渲染說這樣一種異常發展猛烈，甚至會帶給人類滅頂之災，因為這個現象與地磁倒轉是直接相聯繫的。
網友暢所欲言(圖片來自網絡)
大家在積極參與討論的同時，對這些事也不必過分緊張。南大西洋地磁異常區域，科學家發現和確認已經超過50年，而在這之前已經存在了許多許多年。目前沒有任何證據或者可靠的理論說它會對我們人類的生活產生影響。
今天我們就來聊一聊地磁圖上顯現出來的這個「坑」。有些喜好神秘故事的朋友應該聽說過神秘的「百慕達三角」區域，其實這個區域就是咱們要聊的南大西洋的一角。很多研究認為飛機、輪船經過這個區域時，通訊、導航很容易出錯，甚至電子儀器本身失靈，最後導致事故，而這些可能是磁場以及與之相關的帶電粒子特徵引起的。
根據地球磁場的測量，南大西洋上空有一大塊區域的磁場強度比世界其他地區弱了30~50%，弱化的速度也比其他地區快了10倍，既然與「正常」非常不同，故而被稱做南大西洋異常區(South Atlantic Anomaly)。它的中心在南美洲與非洲之間的大西洋，範圍涵蓋了南美洲西南、非洲南端以及兩者之間的大西洋南部。
地球磁場是個怎麼回事呢？磁場是一種看不見、摸不著的特殊物質，它不是由原子或分子組成的，但是實際存在。磁體周圍存在磁場，磁體間的相互作用就以磁場為媒介，所以兩磁體不用接觸就能發生作用。很早以前，人類就已經知道磁石及其磁性，也發明了指南針，因為它總是有一端指著南(另一端自然就是指北)。而我們的地球其實就好像一個大磁鐵。磁鐵北極在地理南極附近，磁鐵南極在地理北極附近，地磁軸和地理軸之間有大概11°的偏差。
地球和它的磁場(圖片來自網絡)
法國學者皮埃·德馬立克(Pierre de Maricourt)於公元1269年論述了他仔細標明鐵針在塊型磁石附近各個位置的定向，也就是用磁鐵指向的方向定義磁場方向，從這些記號描繪出很多條線，也就是上圖中的磁力線或磁場線。他發現磁力線匯聚於磁石的相反兩端位置，他稱之為磁極，如下圖所示，磁力線從北極(N)指向南極(S)。後來威廉·吉爾伯特主張地球本身就是一個大磁石，其兩個磁極分別位於南極與北極，所以在地面上看磁鐵會指向南北方向。
磁力線指示了磁場的方向，從北極(N)指向南極(S)(圖片來自網絡)
如此看來，地球的磁場在地面不同地方的大小和方向都不會是完全一樣的了。有一些常用的表現磁場特徵的參數，我們習慣叫地磁7要素，包括了磁場總強度、水平方向的強度、垂直方向的強度、向東的強度、向北的強度，這些向各個方向的強度稱為分量，也就是水平分量、垂直分量等等，也包括了跟水平面的夾角(磁傾角)以及水平分量跟北向之間的夾角(磁偏角，也就是相對於向北轉過的角度)。這些參量在不同地方不同，隨著時間也存在變化。
我們地球的磁場對地球生物圈有雙重保護作用：一是避免外來的高能帶電粒子入侵，二是減少大氣層中的帶電粒子逃逸。因為帶電粒子在磁場中運動會受到使它轉向的「洛倫茲力」，所以通常是「拘束」在磁場周圍的，而能量很強的帶電粒子也很難輕易「逾越」磁力線的控制。對來自宇宙(主要是太陽)的高能粒子而言，它們「吹」向地球並遭遇地球磁場時，會被磁場彈開，或者隨著磁場去到地球的夜晚側很遠的地方，有些遠離地球而去、有些經過「千辛萬苦」後進入到咱們地球周圍的空間中；對於地球的帶電粒子(主要是因為太陽輻射形成)，地球的磁場也控制住它們在地球周圍飛行，難以離開。
顏色代表地球周圍高能粒子的強度(圖片來自網絡)
地球的南大西洋地磁異常主要是磁場強度的異常，這裡約是同緯度正常區磁場強度的一半大小。現在我們認為，地核中的力和磁軸的傾斜共同產生了異常，也就是說，地球作為一個大磁鐵，本身在地核當中形成巨大磁場的時候，作為磁鐵的軸已經是偏的了，並沒有與咱們地球的地軸重合，而是處在更加遠離南大西洋的一側，另外磁軸一直在向西漂移。一些複雜而不規則的形狀和過程帶來了一個地磁「異常」的區域。
雖然南大西洋異常是由地球內部的過程引起的，但它的影響遠遠超出了地球表面。這一區域對於穿越它的近地軌道衛星來說可能是危險的。如果一顆衛星被高能質子擊中，它會短路並引起一個稱為單粒子翻轉或單粒子翻轉的事件。這可能導致衛星功能暫時出現故障，或者在關鍵部件被擊中時造成永久性損壞。我們前文說的「百慕達三角」區域的種種事故，也與磁場、高能粒子相關的過程有關。
不過，我們講的這些危險僅限於發生在南大西洋地區上空數百公裡高的空中。只有上千公裡高的空中會有能對你我人類以及人類生活產生影響的很高能量的帶電粒子，它們在大氣中會因為碰撞而失去能量，根本到不了你我的身邊。南大西洋異常區由於地磁異常，這個高度會下降到幾百公裡，但是！幾百公裡是什麼概念呢？飛機一般只飛10-20公裡高而已！
飛機飛得比雲更高，但也到不了衛星的數百公裡高度(圖片來自網絡)
那麼，很多人關心的，與南大西洋異常相聯繫的，地磁倒轉是什麼樣的東西，有多危險呢？
地磁倒轉是指地球磁場方向發生變化，也就是北磁極和南磁極的對調，該過程伴隨著磁場強度先減弱後增加。早在17世紀，人們就已經注意到了強磁化的巖石對羅盤指針有明顯的影響。到18世紀中葉，一些學者發現某些巖石是沿著地磁場被磁化的，這說明某些古代的巖石是可以記錄下當時的地磁場信息。20世紀初，法國科學家David和Brunhes對被熔巖流烘烤過的物質進行了研究，他們發現這些物質所顯示出的磁化方向與當前地磁場方向相反。於是，科學家大膽地猜測地磁場在歷史上曾經發生過極性倒轉。後來，科學家們研究了全球各地的火山熔巖，證實了磁場的反向是一個全球性的現象。至此，已經可以肯定地磁場的極性確實曾經與當前情況相反，但是當時尚無技術能確定極性倒轉發生的時間。直到1963年，美國科學家Cox和同事利用精確的定年技術證實了極性倒轉的全球等時性，地磁倒轉這一概念才開始被人們廣為接受。
地磁倒轉的時間並沒有被發現有很明白的規律，平均持續7000多年，倒轉期間地磁場強度降低了約90%。歷史上它最快每隔1萬年就能發生一次，最慢相隔4千萬年才發生一次。上一次地磁倒轉發生在78萬年前，那麼下一次呢？從1840年以來，地磁場強度持續降低，平均每一百年就降低6%，因此，就像我們開篇提到的，又有人根據南大西洋異常就開始懷疑地磁倒轉已經開始。但是如果考察過去幾千年的磁場變化就可以發現，目前的地磁強度降低仍屬正常的波動範圍，尚無理由相信這是值得大驚小怪的。
就說開始時說到的南大西洋異常區吧，發微博的人把這個區域擴大說的好像多麼出乎意料。其實呢，科學家們一直在關注著南大西洋異常區，我給大家引用兩張科學論文當中的圖，大家可以看到，南大西洋異常區逐年的變化非常微弱，而且範圍的變化也隨11年周期太陽活動而變，整體改變的趨勢並沒有那麼快：
1998-2008年的南大西洋異常區面積變化(圖片引自：Zou et al., JGR 2015)
2004-2008年南大西洋異常區強度隨月份的變化(圖片引自：Schaefer et al., Space Weather, 2016)
曾有人根據我們前邊說道的地磁場對地球生物的保護，提出與地球磁場和高能帶電粒子相關的，地磁倒轉引發生物滅絕的理論，但是近年來逐漸已經被廣泛放棄。就我們所知，地球磁場至少經歷過幾百次倒轉，我們根本找不到大規模的災難與地球到轉的時間相匹配的有力證據。也就是說，很可能非常非常多次倒轉發生時，地球生物並沒有「滅頂之災」。