科学家解密：地球磁极未来要颠倒？

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▲一张体现地球磁极和地理磁极并不一致的示意图。

▲地球内部结构及地磁北极从1990年至1996年的移动路径示意图，外地核据信是产生地磁场的源头。

近日，英国《每日邮报》网站报道称，地球磁场在过去200年中已减弱了15%，这有可能是地球磁场将反转、两极颠倒的先兆，一旦反转，地球将遭遇强烈太阳风并可能引发持续数月的大规模停电。此外，反转还将导致地球气候发生剧烈变化，并使地表暴露在更多的太阳辐射之下，给人类带来毁灭性影响。

这已不是近年来人们第一次关于地磁将反转的猜想了。在2012年，“地球磁场反转”曾是“世界末日”的传闻之一，有人相信“南北磁极将会急速倒转，届时地球屏蔽宇宙射线的能力会大大减弱，我们将暴露在更多的太阳辐射之中”。

近百年来，地球磁场确实是在减弱，而且科学家也确实找到了史上地磁多次反转的证据。地球磁场为何会减弱？未来真的会发生大反转吗？吉林大学地球探测科学与技术学院教授杨学祥在接受《中国科学报》记者采访时表示，要弄清这个问题，先要知道地球磁场是如何形成的。

地球磁场强度时强时弱

杨学祥介绍说，地球内部圈层由外向内分为地壳、上地幔、下地幔、外核和内核，其中内核由固态的铁组成，外核是黏滞性很低的导电液态铁；同时地球的自转速度在天体引力作用下不断减慢。而重力分异造成地球各圈层成分的不同，内核重物质在下沉中加快了自转速度，形成了不同圈层旋转角速度的差异。另外，内核的高温和高压使电子游离集中在核幔边界，内核和地幔的差异旋转使外核的自由电子相对内核自转减速，相对地幔自转加速，产生强大的环形电流，从而形成了地磁场。

“液态外核的存在是地球磁场的热能条件，圈层差异旋转是地球磁场的动能条件，二者缺一不可。”杨学祥说，这种地球磁场的理论是目前人们比较容易接受的假说。

“现有的钻探技术，地下一万米都到不了。人类对地心的科学认识能力受到很大限制，地球内部未知东西依然有很多。”国家空间天气监测预警中心研究员、空间天气预报台台长薛炳森表示，到目前为止，科学家并没有完全了解地球磁场的产生、发生变化的原因以及发生这些变化的时间表。

不过，人们有能力察觉地球磁场近两百年来正在减弱。杨学祥告诉记者，尽管人类最近四五十年才能够借助相关仪器精确观测地球磁场变化，但科学家可以通过不同年代形成的岩石的剩余磁性判断当时地球磁场的强度和方向。所以，人类现在有公认的上亿年的地球磁场强度数据。

美国圣迭戈斯克里普斯海洋研究所的研究人员称，尽管目前地球磁场强度正经历一个减弱的过程，但是与过去数百万年地球磁场强度的平均值比，当前依然处于一个较高的区间，“地球磁场的强度有可能在500年内衰减到0，但更可能像过去数千年内发生的那样发生反弹，而非一直降低到0”。

杨学祥告诉记者，即便是地磁强度持续减弱，也不一定引起磁极反转。“数百万年内仅反转3次说明气候发生重大变化时才会有磁极反转，如上亿年前的大冰期和温暖期的转变，几十万年的冰期和间冰期的转变。如果本次磁极发生转变，则意味着第四纪大冰期的结束，类似中生代温暖期的再现。”

地磁反转并无规律

杨学祥指出，如果地球磁场发生反转，理论上要经过磁场强度减弱、0磁场强度出现、磁极反向并且反向强度逐渐增强三大步骤。

现在人们已知道20世纪的100年里，磁北极点一直在加速漂移，每年平均约移动10千米，两极磁场也在减弱，故长此下去，地磁是会发生倒转的。

北京天文馆馆长朱进曾表示，地球磁极早晚会反转，“通过以前的观测可以知道，地球的磁极会有一个南北极互换的现象，但这需要一个非常长的时期，绝不可能在短时间内完成，至少在我们有生之年不可能遇到这种事情” 。

薛炳森也认为，目前有些地区地磁场强度确实在下降，但是否意味着磁场强度会持续降低、将会在未来千百年尺度内发生反转，科学界还存在很大的争议，没有定论，需要继续观测和深入研究。

有研究显示，地球磁场的反转可能跟地球的内在动力有关。2008年，美国马里兰大学地球物理学家Dan Lathrop制作了一个26吨重的地球模型，内部也含有一个相似的液态的铁核。他使这个球旋转（自转），看它的内部流体的运动是否能产生一个磁场。这个实验让人们了解到地球磁场强度变化可能受哪些因素的影响。

通常这样一个穿透南北极地区的磁场会稳定存在很久。但是偶尔，地球磁场会发生倒转或者强度发生改变。地磁两极在过去数百万年中确实发生了很多次的倒转。根据铁磁沉积物的记录，最近一次地磁倒转发生在78万年前。

有文章声称，地磁倒转会周期性发生。杨学祥认为这没有任何科学依据。“在过去1.6亿年内，地磁倒转发生得非常没规律。”

长期数据显示，历史上稳定的地磁场最长大概保持了4000万年之久（在6500万年前的白垩纪），而最短的只保持了数百年。因此，地磁倒转并不具有固定的发生周期，科学家们无法预言下一次地磁倒转会在什么时候发生，因为它在地球历史上看起来像是随机发生的。

地磁异常和气候变化

2013年，日本研究人员发现，地球磁场强度发生变动与极地冰盖增减导致地球自转速度出现变化有关。这一研究成果显示，地球磁场会受到气候变化的长期影响。

杨学祥则认为，作为“地球之盾”，地球磁场本身异常是引起气候、地质等变化的重要因素。

“地磁强弱等变化是极端气候屡屡发生的影响因素之一。地球磁场保护地球大气和地表生物不受太阳风的袭击，地球磁场强度减弱或消失，地球大气将被太阳风刮走，地表生物将面临类似历史上出现过的大灭绝。”杨学祥指出，计算机模型的计算结果表明，如果两磁极的强度继续减弱，则来自太阳的粒子流便可能使高达40%的地球高纬度臭氧被破坏，每次的破坏时间将长达数月至一年之久，这也为南北极海冰融化提供了合理的解释。

杨学祥认为，如果地磁反转真的发生，在期间产生一个地磁强度为零的时期，则地球有可能由于失去地磁的保护，发生新一轮的生物演进。“但零磁场与生物演进确切的关系是怎样的，目前证据并不充分，任何一个实验室都无法完成如此巨大规模的模拟实验。”

不过，薛炳森认为，太阳风等空间天气中强带电粒子，主要对太空的卫星造成不利影响，对地球上的生物影响有限。即便地球磁场真的发生崩塌或反转，厚厚的大气层下，太阳风的带电粒子产生的弱磁场对人类影响也有限，“比如在南极和北极，地磁场对地球的保护几乎为零，太阳风直接冲击地球大气层，也只会产生极光景象。”（赵广立）