地球磁场及其翻转涉及哪些机制

Lv.6十幺米空洞

地球有一个字面上的偏转护罩——地磁场，它是由行星熔融核心中的电流形成的磁力线从靠近南北地理两极的地表喷发，相互连接，在偶极子场中环绕着行星，就像一个巨大的条形磁铁。磁场对移动的带电粒子施加力，使它们围绕这些力线旋转。这很有帮助，因为地球不断受到快速移动的带电粒子的轰击，尤其是来自太阳的粒子，我们的磁场会偏转其中最糟糕的部分。

并非所有行星都如此幸运，拥有固体核心的火星没有这样的防护罩，因此这颗红色星球的大气层在数十亿年前就被太阳风剥离了。那么如果地球失去了它的磁场会发生什么？我们会失去大气层吗？生命会因疯狂的太空辐射而灭绝吗？

地球磁场翻转的事实

地球磁场目前正在发生快速变化，可能预示着其极性即将翻转——北极可能变成南极，南变成北。这被称为地磁翻转。在那次逆转期间，我们将在数千年内相对不受保护。

为什么我们认为这样的事情会发生？因为它过去已经发生了很多次了，我们可以在地质记录中看到它。像铁这样的磁性材料通常在其自然场与地球场一致的情况下形成。我们可以在沉积层和古老的火山流中追踪地球磁场的方向。事实证明，在过去的8400万年中，地球的磁场已经完全翻转了183次上一次完整的地磁翻转发生在70 万多年前。

地球内部的运动

要真正了解翻转是否可能，我们需要尝试了解它们是如何发生的。为此，我们需要了解地球的磁场。通常我们认为磁场以两种方式产生：在铁等磁性材料中，其组成粒子的微小磁场的总和排列成一个全局场。或者，许多带电粒子（如电子）的流动可以产生磁场，例如在电磁铁中。

但地球内部本质上并不是磁性的——它太热了，核心中的铁原子无法自发排列。尽管内部在旋转，但它是电中性的，所以不应该有整体电流。那么，地球是如何产生如此巨大且组织良好的偶极子磁场的呢？让我们先快速回顾一下地球内部的样子。

在薄薄的地壳和2900公里的固体地幔之下是地核。2400公里厚的外核是铁水和镍，以及其他一些东西。在这一层之下是内核——一个半径 1200 公里的实心铁球。实心的内核的旋转速度比地表快一点，它旋转一周的时间比表面的短几秒钟。液体外核有一个旋转梯度，较靠内的旋转得较快。

地球内部的冷却速度非常缓慢，这意味着液态外核正在慢慢冻结成固态内核。随着内核的增长，它释放出向外流动的非铁杂质加入对流，然后这些流动被科里奥利力扭曲成螺旋状。正是所有这些运动通过称为发电机效应的过程共同产生了地球磁场。

发电机效应

发电机理论不仅解释了地磁，还解释了为什么地球磁场有时会反转其极性。在我刚刚描述的那个运动中，电子和原子核都应该一起移动，所以没有电流产生。那么磁力是从哪里来的呢？关键是发电机效应并没有真正从头开始创建磁场而是放大、组织和维持现有的磁场。

让我们从一些弱偶极子场开始，该场通过液体外核，这是一个电导体。导体具有一种很酷的特性，即它们会拖曳磁场。因此，如果整个核心与地球一起旋转，那么磁场也会旋转。但请记住，外核的旋转越靠近中心越快。结果，起始磁场围绕旋转轴缠绕成环。

现在切到外核中的第二种运动。这些导电材料流被科里奥利力扭曲成螺旋状，这些流动抓住了我们的环形磁场并将其进一步扭曲，形成许多小循环。这些环形成围绕地球旋转轴的磁管，然后又产生环形电流。

现在我们完全具备了电磁体的条件：有组织的电流环，产生了我们巨大的偶极子场。所以从一个弱偶极子场开始，我们会得到一个强偶极子场。但最初的磁场是从哪里来的？事实上，任何带有流体导体的旋转体都可以产生这样的场，其他例子还有太阳及其流动的氢等离子体，或者木星和土星核心中的液态金属氢。

两极反转

这种效果产生的磁场看起来很有条理，但它不像条形磁铁那么固定，它会发生移动。事实上，地球磁场是高度动态的。南北磁极靠近地理两极，但并不完全对齐。磁北极目前以每年约60公里的速度在地理极以南约5度处移动，离开加拿大并前往西伯利亚。穿过地表的场强也发生了变化，所有这些变化都是由于外核内流动的变化。

那么，磁场翻转是怎么回事？关于这些是如何发生的，有一些假设性的想法。磁场的方向取决于这些巨大电流的方向，而这又取决于这些螺旋对流产生的小磁环的方向。可能是某些事件触发了外核内流动的中断，这可能是小行星或彗星撞击，地核和地幔之间的相互作用。然而，没有任何这些触发因素的明确证据，因此大多数科学家认为这些地磁事件只是发电机效应的自然部分，其中外核流体的混乱运动导致磁场线的缠结和场强在全球下降。

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原创:Eugene Wang