正在不斷減弱的地球磁場最終會消失嗎?

2019年10月05日 08:51 次閱讀 稿源:新浪科技 條評論

如果地磁場消失,會對地球有什么影響?答案是:不會很好,但也不會像災難片描述的那么糟糕。地球的磁場稱為地磁場,源于地球內部,向外延伸至太空。這個磁場由地核的劇烈運動產生,對我們的日常生活有非常重要的意義:它保護了地球免受太陽粒子的影響,為導航提供了基礎,甚至可能在地球生命演化中發揮了重要作用。


在地球周圍,一個看不見的磁場正不斷地捕獲電子和其他帶電粒子,使得阻擋紫外線的臭氧層不致消失

那么,如果地磁場突然消失會如何?無數的帶電太陽粒子將會轟擊地球,使電網和衛星失靈,并使人類暴露在更高水平的致癌紫外線輻射下。換句話說,地磁場缺失將會帶來嚴重的問題,但不一定是災難性的后果,至少在短期內是這樣。

這其實是個好消息,因為一個多世紀以來,地磁場一直在減弱。即使是現在,也有一些地磁特別薄弱的區域,比如南半球的南大西洋異常區(South Atlantic Anomaly),導致該區域上空的低軌道衛星會受到粒子影響而出現技術問題。

關于地磁場,首先要了解的是,即使減弱,它也不會消失,至少在幾十億年內不會消失。地磁場的形成源于地核外核中熔融鐵、鎳的對流運動。美國羅徹斯特大學的地球物理學家約翰·塔都諾(John Tarduno)表示,隨著地核的增長和固化,地核內部釋放的熱量推動了這一對流運動,進而產生電流,從而形成地磁場。據估計,地核每年大約增長一毫米。

這種關于地磁場形成的理論,被稱為發電機理論,而地核作為磁場的“引擎”,已經運行了數十億年。根據2015年的一項研究,科學家認為,目前的地核結構可能在大約15億年前就已經穩定下來,當時的磁場強度出現了飛躍。但是,塔都諾和他的團隊在地球上最古老的礦物鋯石中發現了磁場存在的證據,并且可以追溯到42億年以前。這表明,地核活動在很長一段時間內一直在產生磁場。

塔都諾在接受采訪時表示,目前還不清楚這臺“發電機”啟動的原因,但很可能是導致月球形成的那次大規模行星撞擊造成的。這次撞擊發生在地球形成后大約1億年時,可能促使地核中發生物質分層,進而導致了對流運動,至今仍驅動著地磁“發電機”。

在遙遠的未來,地核很可能最終會變得足夠大,以至于外核的對流運動不足以產生電流,磁場也會最終失效。但這種情況太遙遠了,也許還需要幾十億年的時間,現在還不值得為此而失眠。

不斷減弱的地磁場

與人類生活更相關的是,地磁場正在減弱。在過去的160年里,科學家們一直在用地磁觀測站和衛星直接測量這種減弱趨勢。160年以前,地磁場是否已經開始減弱,以及未來會發生怎樣的變化,目前都不明朗。塔都諾表示,目前的地磁場大約有80%為偶極子磁場。這意味著地磁場更多地是像一塊條形磁鐵。如果你能把鐵屑灑在地球周圍(這里需要除去太陽風的影響),由此產生的磁場線將呈現出明確的北極和南極。但是,還有20%的地磁場是非偶極子磁場,這意味著地磁場比條形磁鐵更復雜,會出現局部的變化。

在以往的地球歷史中,地磁場曾發生了多次地磁逆轉,即南北磁極互相換位。最后一次逆轉發生在78萬年前,大約是直立人(Homo erectus)的時代。由于地磁場的減弱通常發生在這些逆轉之前,因此一些人對又一場地磁逆轉是否即將到來提出了疑問。不過,地磁場有時也會先減弱,然后在不逆轉的情況下再次增強,這種現象被稱為“漂移”(excursion)。

塔都諾和他的團隊發現,在南非地下的地核中,有一個奇怪的漩渦,可能是造成這種磁場減弱的部分原因。這一漩渦似乎就是南大西洋異常區形成的原因。該異常區從巴西以東約 300公里處開始,橫跨南美洲大部分地區,是已知的地磁場薄弱區域。在這片地區,來自太陽風的帶電粒子會比其他區域更容易接近地球。在地理特征上,南大西洋異常區并不特別明顯。但是,地球軌道衛星在那里遇到了更多具有破壞性的太陽粒子,曾在國際空間站上飛越該地區的宇航員報告稱,他們看到了流星的視覺現象。科學家認為,這很可能是由于那里的近地軌道輻射水平相對較高造成的。

塔都諾的團隊懷疑,南非地下的地幔變化可能觸發了以往的地磁逆轉。好消息是,即使磁場在減弱,或者即將逆轉,地磁場也不會消失。沒有證據表明地磁場會在逆轉過程中完全消失。

即使發生地磁逆轉,“地球仍然會保留一部分磁場,這將是一個非常弱的磁場,”塔都諾說道。這個磁場強度很小的世界會是什么樣子?首先,你的指南針不管用了。“它將指向磁場強度最高的區域,”塔都諾說,“這一區域可能離你很近,也可能非常遙遠。”

到了那時,北極光和南極光在低緯度地區也將都能看到,因為這些絢爛的景象是太陽噴射出來的帶電粒子(太陽風)與地球磁層相互作用的結果。目前,極光只出現在兩極附近,循著地球的南北磁場線,但較弱的磁場將允許粒子穿透地球大氣層,照亮赤道附近的天空。

南大西洋異常區上空的衛星異常現象可能在全球變得普遍,這將引起許多技術故障。太陽粒子會轟擊電子設備,造成所謂的單粒子翻轉(single-event upsets,SEUs),即計算機中CMOS電子元器件發生電位狀態的跳變,從而破壞內存。當太陽粒子與地球大氣層的電離層相互作用時,也會把電子從分子軌道上撞擊出來。這些自由電子會干擾用于通信的高頻無線電波的傳輸。

隨著時間的推移,太陽風和地球大氣之間的相互作用還會破壞臭氧層,這將增加全體人類受到的紫外線輻射,并增加皮膚癌的風險。

倫敦瑪麗女王大學的空間等離子體物理學家馬丁·阿徹說(Martin Archer):“雖然沒有磁場可能不會對生命造成完全災難性的影響,但地球上的輻射劑量會高得多。”幾乎沒有證據表明以往歷史中地磁場的變化影響了地球生命。不過,馬丁·阿徹在接受采訪時表示,地磁場無疑參與塑造了地球的表面,有助于防止地球脆弱的大氣層被無情的太陽風吹到太空。

磁場對于大氣層的形成并不是決定性的,例如金星就沒有磁場,但它具有濃厚的大氣層——超過96%都是二氧化碳。不過,地磁場確實起到了額外保護層的作用。火星曾經擁有磁場,但在大約40億年前失去了,它的大氣層也幾乎被完全剝奪。馬丁·阿徹指出,如果有某種方法能讓月球擁有類似地球的大氣層,在短短一個世紀內,太陽風就會將其化為烏有。

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