北京時間 7 月 15 日消息，在近期的新研究中，科學(xué)家通過模擬顯示了 10 萬年以來地磁場的動態(tài)變化，揭示地球磁場改變方向的速度要比原先預(yù)計的快得多。
地磁場源自于地球內(nèi)部，延伸至太空，就像一個保護(hù)罩一樣，使地球的大氣層保持在適當(dāng)?shù)奈恢?，并保護(hù)生命免受宇宙輻射和太陽風(fēng)的傷害。不過，地磁場平均每幾十萬年就會發(fā)生一次地磁逆轉(zhuǎn)，即磁北極和磁南極突然(在地質(zhì)時間尺度上)互換位置。上一次發(fā)生這種情況大約是在 78 萬年前，稱為布容尼斯 - 松山逆轉(zhuǎn)。在之前的研究中，科學(xué)家估計這個過程需要數(shù)千年，以每年約 1 度的速度改變。
在這項新研究中，研究人員指出，地磁場的這種方向變化可能比以往認(rèn)為的快 10 倍，并且比最近觀測到的變化快將近 100 倍。
當(dāng)太陽拋射的日冕物質(zhì)撞擊地球磁場時，就會產(chǎn)生壯麗的極光。這是在冰島上空拍攝的極光景象
在地球表面下約 2800 公里處，地核的液態(tài)外核在不斷流動，為無形的地磁場提供了動力。翻滾的導(dǎo)電巖漿產(chǎn)生了電荷，而這些電荷決定了磁極的位置，并形成了無形的磁力線。這些磁力線包裹著地球，連接著南北磁極。
地核和磁場之間的相互作用十分復(fù)雜。外核中的熔融鐵、鎳的對流導(dǎo)致某些地方極具磁性，而另一些地方則磁性較弱。英國利茲大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院副教授、該研究的主要作者克里斯托弗 · 戴維斯表示，地球表面的磁場強度會隨著時間而變化，也會因地核的不同位置而改變。在熔融的地核中，“流體扭曲并拉伸磁場，而磁場反過來推動了流體，抵抗這種扭曲”。
“這種流體是很動蕩的，簡單來說，就像一鍋沸水里的水流一樣，”戴維斯說，“因此在地核內(nèi)部，流體和磁場之間的相互作用是不同的。”換句話說，當(dāng)液態(tài)外核 “沸騰”時，這種運動在地核不同部分導(dǎo)致磁力的起伏，從而決定了這些區(qū)域如何影響磁層。
非逆轉(zhuǎn)時期地球磁場的計算機(jī)模擬圖像。線條代表磁場線：從地核伸出時為黃色，回入地核時為藍(lán)色
對今天的科學(xué)家來說，這些相互作用中的某些變化是可見的，比如高緯度地區(qū)的強磁場區(qū)域;向東或向西漂移的磁場特征;以及在非洲和南美洲之間的一個長期存在的磁場弱區(qū)，即南大西洋異常區(qū)。
早在幾個世紀(jì)以前，水手們就在航海日志中記錄了這一區(qū)域的磁場變化;近幾十年來，衛(wèi)星和天文臺都捕捉到了這種變化。據(jù)此前的報道，近年來的觀測表明，在過去的 160 年里，地球磁場的強度實際已經(jīng)減弱，這表明地球可能會更早地經(jīng)歷地磁逆轉(zhuǎn)。
不過，戴維斯指出，追蹤遙遠(yuǎn)過去的磁場變化要比想象的更具有挑戰(zhàn)性。“我們知道磁極會發(fā)生倒轉(zhuǎn)，但在數(shù)千年到數(shù)百萬年的時間里，磁場究竟是如何變化的，仍然有很多信息等待發(fā)現(xiàn)，”戴維斯說，“在我們的研究中，我們提出了這樣一個問題：磁場在這些時間尺度上改變方向的速度能有多快?”
追蹤流向
為了回答這個問題，戴維斯和該研究的合著者凱瑟琳 · 康斯特布爾建立了一種新的磁場模型。該模型使用了過去 10 萬年間的大量磁場觀測數(shù)據(jù)。戴維斯表示，磁場變化可以體現(xiàn)在海洋沉積物、冷卻的熔巖流，甚至是人造結(jié)構(gòu)和文物中。
“然而，像所有基于地球表面觀測的模型一樣，這個模型也只能向我們展示地核頂部的磁場;我們不能‘看到’地核內(nèi)部，”戴維斯補充道，“因此，我們將這些結(jié)果與計算機(jī)模擬的磁場產(chǎn)生的物理過程結(jié)合起來。”歸根結(jié)底，磁場的產(chǎn)生源自地核的運動。
戴維斯和康斯特布爾發(fā)現(xiàn)，在磁場變?nèi)醯牡貐^(qū)，磁場方向每年的改變可達(dá) 10 度。這一變化速率比之前模型預(yù)測的結(jié)果快了 10 倍，比目前觀測到的變化速率快 100 倍。
模擬結(jié)果表明，當(dāng)?shù)睾巳廴趨^(qū)域的方向逆轉(zhuǎn)時，磁場方向?qū)l(fā)生劇烈變化。這種地核逆轉(zhuǎn)在赤道附近更為常見，與研究人員在低緯度地區(qū)觀察到的磁場方向快速變化相吻合。研究人員在論文中寫道，這項關(guān)于低緯度地區(qū)磁場變化最快的新證據(jù)表明，未來科學(xué)家應(yīng)該把注意力放在這些區(qū)域。
康斯特布爾說：“對這些模擬過程中不斷變化的動力學(xué)進(jìn)行更深入的研究，將為我們提供有用的策略，以記錄這種快速變化如何發(fā)生，并了解這種變化是否也會出現(xiàn)在像我們今天這樣的磁極穩(wěn)定時期。”該研究的結(jié)果在線發(fā)表在 7 月 6 日的《自然 - 通訊》雜志上。
關(guān)鍵詞： 地磁場
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