地球磁场为何经常变化？

地球的磁场不是一成不变的。它的南北磁极发生了位置变化，即地磁场的北极变成了地磁场的南极，地磁场的南极变成了地磁场的北极，这就是所谓的“磁极反转”。

人们记录了世界各地当地地磁场的方向和强度。后来，科学家们发现，在大陆和海底的火山熔岩和地质沉积物中，可以找到更长历史的地磁记录。所有这些数据告诉我们，地球磁场的空间分布是非常复杂的，这反映了它的产生机制也是非常复杂的，它决不是简单地想象为由南北向的磁棒发射的。在漫长的历史中，地磁场的方向和强度随着时间而变化，也充满了未解之谜。

地球磁极变化最激动人心的一幕是“磁极逆转”事件。在地球演化的历史中，“磁极倒转”事件经常发生。仅在过去的450万年中，四个不同磁场极性的时期可以被划分。有两个“正周期”与现在基本相同，两个“反周期”与现在完全相反。此外，在每个磁周期中，有时会有磁极的暂时反转。

地球磁场的这种磁极变化在较老的时代也存在。从大约6亿年前的前寒武纪末期到大约5.4亿年前的中寒武世，这一时期以反磁性为主。大约3.8亿年前，从中寒武世到中泥盆世，这是一个以正磁性为主的时期。从中泥盆世到大约7000万年前的白垩纪末期，正极性仍然占主导地位。从白垩纪末期到现在，极性主要是反转的。如果你把地球的历史缩短到一天，在这段时间里，你会发现你手里的罗盘正在疯狂地旋转，罗盘指向北方。

地球磁场的变化威胁着人类

在电影《后天》中，我们曾经看到过这样一个场景，鸟儿快速移动，甚至撞到墙上，拳头大的冰雹打在逃跑的人群上。这部电影向我们展示了地球磁场转移对人类的危害。

为什么地球有磁场？为什么磁场会反转？

第一种解释:地球磁场的变化可能与来自地下的低频辐射有关。

尽管人类已经进入21世纪，科学已经改变了我们的生活，但科学还没有征服自然。通常，它只是记录那些不可思议的事情是如何发生的。例如，未知的地下低频辐射。

科学家发现，来自地下的低频辐射与一些神秘的事故密切相关。这种辐射的确切原因还不清楚，但是科学家估计这可能是地壳运动的结果。当局部外壳剧烈运动时，电磁粒子将从地面逃逸。测试表明，当这种辐射爆发时，交通事故和寻求治疗的人数显著增加。

科学家还观察到地球磁场中的空洞，从而推断出地球磁极在不久的将来可能会改变方向。事实上，北极现在正在向西伯利亚移动，而南极正在向澳大利亚海岸移动。科学家推断磁极移位每15000年才发生一次，每次都会导致大量动物死亡。结果恐龙和猛犸象可能会灭绝。大西洋中一些神秘的下沉岛屿也可能与磁极移位有关。

地球上有许多黑暗的地方，事故频繁发生，人体器官严重受损。科学家认为，这也是辐射“作弊”在地质断层带和地下水流交汇的地方，磁场会出现异常变化，甚至会影响到大气流。研究表明，只有5%的人对地下辐射有抗干扰能力。

第二种解释:地球是一个巨大的“发电机”

大多数人认为指向北方的针一定指向北方。几千年来，水手们一直依靠地球磁场来导航。鸟类和其他对磁场敏感的动物已经使用这种方法很长时间了。奇怪的是，地球的磁极并不总是指向电流方向。

矿物可以记录过去地球磁场的方向。人们利用这个发现，在地球45亿年的生命历史中，地磁场的方向已经在南北方向上反转了几百次。然而，在最近的780，000年里没有倒转——比地磁倒转的平均间隔250，000年要长得多。此外，自1830年首次测量以来，地球的主要地磁场已经减弱了近10%。这大约比能量源丢失时磁场自然衰减的速度快20倍！下一次地磁逆转会到来吗？

一些地球物理学家认为，地球磁场变化的原因来自地球中心的深处。像太阳系中的其他天体一样，地球通过内部发电机产生自己的磁场。原则上，地球的“发电机”像普通发电机一样工作，也就是说，它从运动部件的动能中产生电流和磁场。发电机的运动部件是一个旋转线圈。行星或恒星的运动部分出现在导电的流体部分。在地球的中心，有一个6倍于月球大小的巨大钢水海洋，形成了所谓的地球动力学。

在我们探索磁场如何逆转之前，我们需要知道是什么驱动了地球的发电机。20世纪40年代，物理学家认识到产生任何行星磁场都需要三个基本条件，此后的其他发现都是基于这一共识。第一个条件是应该有大量的导电流体——地核的外核是富含铁的流体。这个关键层被一个几乎是纯铁的固体核心包裹着，深埋在厚厚的地幔和极薄的大陆和海洋地壳之下。离地表的深度约为2900公里。地壳和地幔的重量所带来的巨大负荷使得地核的平均压力是地表的200万倍。此外，地球中心的温度也很高——大约5000摄氏度，与太阳表面的温度相似。

这些极端的环境条件构成了行星发电机的第二个要素:驱动流体运动的能源。驱动地球发电机的能量一部分是热能，一部分是化学能——两者都在地核深处产生浮力。就像锅里的汤在炉子上沸腾一样，地球中心的底部比顶部热(地球中心的高温是地球形成时地球中心的热能)。这意味着地球中心底部更热、密度更大的铁会上升，就像热汤里的水滴一样。当这些流体到达地球中心的顶部时，它们会通过接触上面的地幔而失去一些热量。液态铁随后会冷却并变得比周围的介质更致密，从而下沉。这种通过流体的上升和下降从底部到顶部传递热量的过程称为热对流。

现就职于洛杉矶加州大学的斯坦尼斯瓦夫巴金斯基在20世纪60年代指出，地核上部外核的热量逃逸也会导致地核固体核体积的膨胀，产生两个额外的浮力源来驱动对流。当液态铁在固体核心外凝固成晶体时，潜热——结晶热——作为副产品释放出来。这种热量有助于增强热浮力。此外，较低密度的化合物(如硫化铁和氧化铁)由内核的晶体排出，并通过外核上升，这也增强了对流。

一颗行星需要第三个条件来产生自我维持的磁场:旋转。地球的自转通过科里奥利效应使地球中心上升的流体偏转，就像我们在气象卫星图像上看到的洋流和热带风暴被科里奥利效应扭曲成熟悉的漩涡一样。在地球的中心，科里奥利力使上升流偏转，并沿着螺旋轨道上升，就像沿着一根松散弹簧的螺旋线移动一样。

地球有一个富含铁的液体核心，可以导电，有足够的能量驱动对流，并有科里奥利力来偏转对流流体。这些是地球发电机能够自我维持数十亿年的主要原因。但是科学家需要更多的证据来回答令人困惑的问题，比如磁场的形成以及为什么它们会随着时间改变极性。

从卫星测量外推至地球-地幔边界中心的地球磁场等值线图显示，大部分磁通量穿过南半球的地球中心，进入北半球的地球中心。然而，在一些特殊领域，情况正好相反。这些反向通量带在1980年至2000年间增加和扩大。如果它们覆盖两极，那么极性将发生逆转。

尽管上述两种解释都是基于已被证实的科学理论，但一些科学家提出了他们的疑问。我希望在不久的将来，科学家能为我们解开这个谜。