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北极要漂走,是谁在捣鬼?

北极正在漂移,而且比以往任何时候都快。为了理解为什么,我们需要到地球的中心找答案。

不停变化的地磁场

你能指出北极吗?也许你会说,拿一枚指南针,红箭头所指的不就是北极方向吗?没错,大多数情况下是这样,但也有出错的时候。譬如,如果你在美国加利福尼亚,指南针所指的方向与真正的北极错开了整整18°角。这个差错可不小,即使对于徒步旅行者,也已经是直行还是左转的区别了。

不仅地磁场的局部会有异常,北极本身也不并总是固定在一个地方。1900年,北极在加拿大境内,但一个世纪之后,它已经移至格陵兰岛附近。在过去的18年里,它以每年40千米的速度继续向东漂移,目前正移向西伯利亚。

地球磁场的怪异行为并没有就此结束。有时它还会反转“变性”——北极变南极,南极变北极。所以,在地球历史上,指南针红箭头好几次指向南极。你要是依赖指南针,那可真要南辕北辙啦。

这一切是怎么回事?解开这个谜,对于了解我们这个星球的未来至关重要。

地球磁场是如何起源的?

虽然我们中很少有人去过北极,但对于北极,我们并不陌生。许多孩子都知道,那是圣诞老人呆的地方。但北极不止一个:有地理北极,那是地球自转轴与球面相交的地方;有地磁北极,那是地球磁场磁力线发出的地方;两者并不重合。地理北极是不会移动的,会移动的是地磁北极,本文谈论的“北极”即指后者。

同样,它在地球另一端的对应点叫地磁南极。地磁南极也并不像你想象的那样位于南极中央,它也会移动。

几个世纪以来,地磁场是如何产生的一直是个谜,伤透了很多科学家的脑筋。爱因斯坦本人曾经认为,地磁场的起源是物理学中尚未解决的最大问题之一。后来,爱尔兰物理学家约瑟夫·拉莫尔在100年前首次提出,地磁场是由位于地球中心的带电金属液体,在地球自转作用下旋转产生的。这一机制被称为“地球发电机”假说。

越来越多的证据证明,拉莫尔是对的。地质学家从地震波穿过地球内部时反射回来的信号知道,地球内部有一个金属核,它由两部分组成,内核和外核。内核温度高达6000℃,比太阳表面的温度还略高。按理说,在这样高的温度下,金属早就熔化成液体了,但由于巨大的压力,内核仍然是固体。外核则是熔融的铁水,体积是月球的七倍之多。由于外核内与内核相邻,外与地幔相邻,存在两个界面,内外界面有温度差,意味着铁水在不停地对流。温度高、密度小的铁水上升到外核的外层,冷却,密度变大之后,又下沉,熔化成铁水,周而复始。金属液体中充满了电子,正是这些移动的电荷产生了磁场。

错综复杂的地磁场

如果仅仅只有对流,地磁场的形状可能相对简单。然而,地球自转把事情搞复杂了。自转的离心力会将对流中的铁水往一个方向甩,离心力大小取决于流体在地球内部的位置。让事情变得更加麻烦的是,在不同的地方,金属液体的密度、粘度也都不同。所有这一切加在一起,导致了一个错综复杂的湍流运动,由此形成一个错综复杂的地磁场。

考虑到这一切,磁极在漂移不奇怪,要惊讶的倒是磁极为什么没有疯狂漂移。对于这个问题,可以这样回答:因为这里所说的流体运动,都是非常缓慢的,是“慢镜头”,需要在数万年的时间尺度上去考虑。短时间内看起来,漂移不会“太疯狂”。

磁极的漂移可用这种缓慢的湍流来解释。但接下来会发生什么还不清楚。北极会继续移动吗?会移多远?会不会已处于反转的边缘了?这些问题非常值得我们去问,去研究。因为地磁场对于我们的生存至关重要。如果不是地磁场为我们构筑了一副“磁盾牌”,帮助我们偏转了太阳风中的带电粒子,地球上的生命早就毁灭了。现在,自然也没有人希望它急剧漂移,突然反转。那这样的话,我们将付出巨大的代价。

地磁场的记录者

了解地磁场未来的一个办法是回顾它的过去。它的过去记录在一些岩石和矿物中。像长石这样的磁性岩层变热后再次冷却时,其中的晶体朝向就会与当时当地的磁力线对齐,因为这些晶体内部含有磁性物质。于是,它们成了地磁场的良好记录者。通过读取这些晶体,我们可以了解数百万年前的地磁场。

这些记录表明了地磁场在整个地球历史中何时减弱,何时加强,何时完全反转的。我们现在知道,在过去的8300万年中,有过183次磁极反转,最近一次发生在78万年前。2019年,美国科学家约翰·塔杜多分析了加拿大魁北克地区5.65亿年前的磁性岩石,发现当时的磁场是今天的1/10——这是在地表测量到的有史以来最弱的地磁场。根据这一发现,他分析得出结论:在5.65亿年前,地球经历了一个为时75000年的不稳定期,在那段时间,地磁场极不稳定,方向和强度都在不停变化。

内核的形成挽救了地磁场

这不仅再次证实了地球磁场千万年以来一直在变化,而且揭示了早期地球的更多故事。有些时候,地磁场看起来岌岌可危,几乎濒临崩溃。如果这事真的发生了,复杂生命就不太可能在地球上出现。

是什么阻止了这场灾难?塔杜多的解释是,地球内部实心内核的形成。

在诞生之初,地球的整个核原本都是熔融的金属,没有内外核之分,演化到某个时间点,内部温度明显下降,这导致对流运动减缓。对流减缓又导致地磁场削弱,几乎消失。但与此同时,另一个动力开始启动了:冷却让地球核心最深处的元素开始结晶,形成固体内核。一些较轻的元素,例如硅和氧,从内核挤出,进入外核,使外核的底层物质密度降低,意味着更容易浮到上层去,这为对流增添了新的动力。正是这个动力,让奄奄一息的地磁场重新获得了生气。

塔杜多的研究还揭示,为什么地表从津巴布韦延伸到智利的一块地区,那里的磁场今天非常弱——事实上,由于地磁场太弱,卫星在穿越其上空时,需要额外的保护,否则,卫星上的电子设备就有被太阳风轰毁的危险。塔杜多和他的同事发现,在这片区域的地下,地磁场与地面是相反的,即指南针红箭头在地面指向北极,而在地下,指南针红箭头却指向南极。正向的地磁场被反向的抵消,剩余的磁场自然就非常弱了。这一发现相当令人震惊。

塔杜多的团队在很多地方都看到了地磁场异常的现象,甚至可将某些异常追踪到地球外核中的流体运动。他们甚至可以根据记录,追踪历史上磁极反转是如何发生的。

为地磁场建立电脑模型

除了在地表寻寻觅觅,科学家还试图通过为地磁场建立电脑模型,来预测下一步将要发生什么。例如,美国加利福尼亚大学的加里·格拉茨梅尔等人从基本物理定律出发,为地磁场建立了一个电脑模型。当模型运行时,他们看到磁场强度如何随时间和位置而变化,还看到磁极的漂移,甚至反转。这一切都符合我们在现实中看到的。

令人遗憾的是,目前电脑模型还过于简单,很多因素还无法考虑,很多现象还解释不了。

如果你想预测地表任何一个点的磁场方向,事情就会变得更加复杂。因为磁石集中的区域反过来也会影响到当地的磁场,造成磁力线的偏离。这就是为什么指南针在加利福尼亚州和其他许多地方不能直接指向北极的原因。

在实物模拟地磁场

也许我们需要一个更现实的模型——实物模型,而不是电脑模型。说到地核的实物模型,没有什么比美国马里兰大学的丹尼尔·莱思罗普建造的液态钠球更令人印象深刻了。

化学老师告诉你,钠是一种很难处理的金属,在潮湿的空气中容易自燃,即使很少的量,也很危险,所以通常保存在煤油中。

但莱思罗普与之打交道的钠并非少量。他正在摆弄一个装在不锈钢中,直径3米的液态钠球。整个装置重20吨。在钠球中心,有一个直径1米的实心金属芯,能独立地以15次/秒的速度旋转,用以模拟地球内核,液态钠球则模拟外核。分布在外表面的31个磁强计,用于测量产生的磁场。因为这个模型的核心比实际地核要小得多,他不得不用导电性能比铁更好的金属钠以及更快的旋转速度来补偿:当相当于地球外核的液体钠球全速转动时,速度能达到每秒旋转4次。

通过实验,莱思罗普的团队证明,液态金属钠的湍流能够维持并放大磁场,这证明了拉莫尔的地球发电机假说确实符合事实。然而到目前为止,他们还没办法让磁场自发地产生。

什么叫让磁场自发地产生?原来根据地磁场的形成理论,地磁场先有一个“种子”磁场,也就是说,地球与生俱来有微弱的磁场,然后经过“地球发电机”机制放大,才有今天的强度。为什么需要一个“种子”磁场呢?因为地球是电中性的,正负电荷的电量应该相等。但正负电荷原本是混在一起的,它们如果不分开,是不会产生任何磁场的,所以必得先有一个“种子”磁场,让正负电荷在运动时朝不同方向偏转,才能将其分开。而地球的这个“种子”磁场又是通过别的机制自发产生的。

遗憾的是,莱思罗普的实验不能自发地产生“种子”磁场,这个磁场“种子”需要人为地添加进去。

2018年,有德国科学家提出,地磁场的自发产生,可能源于地球的进动。所谓进动,就是一个自转物体受外力作用之后,其自转轴又绕某一中心旋转的现象。由于太阳与月亮的引力作用,地球的自转轴在地球绕太阳公转时,并不总是保持在空间的同一方向上,其自转轴同时又绕着公转轴旋转。这种进动以大约25700年的周期在空间描绘出一个圆锥面,锥面的顶角为23.5°。

为了探索地磁场自发产生的机制,德国德累斯顿正在建设一个更大的实验装置,它包括一个装有8吨液态钠的圆筒。圆筒将绕其长轴每秒旋转10次,长轴本身又绕另一条轴每秒旋转1次,以模拟地球的进动。

所有这些努力都是值得我们付出的。首先,从小的方面来说,如果知道了地磁场是如何变化的,我们可以提前预防,保护电网免受太阳风暴的影响。从大的方面说,在极端情况下,地球也可能会完全失去地磁场——就像40亿年前在火星上发生的那样——从而变成不毛之地。我们不要把地球现在拥有的地磁场视为理所当然,我们要清楚,两极是会漂移的,地磁场是可能会失去的。

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