地球的磁場并非亙古不變，它的南北磁極曾經(jīng)對換過位置，即地磁的北極變化成地磁的南極，而地磁的南極變成了地磁的北極，這就是所謂的“磁極倒轉(zhuǎn)”。

　　人們在世界各地記錄當(dāng)?shù)氐牡卮艌龇较蚝蛷姸�；后來科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)在火山熔巖和大陸與海底的地質(zhì)沉積物當(dāng)中，能夠找到更加久遠的歷史上的地磁記錄。所有這些數(shù)據(jù)都告訴我們，地球磁場的空間分布非常復(fù)雜，反映了它的產(chǎn)生機制也非常復(fù)雜，決不是可以簡單地想象為由一根南北向的磁鐵棒所發(fā)出的；而地磁場的方向與強度在漫長的歷史當(dāng)中隨著時間而發(fā)生的變遷，也是充滿了未解之謎。

　　地球磁極變化的最激動人心一幕是“磁極倒轉(zhuǎn)”事件。在地球演化史中，“磁極倒轉(zhuǎn)”事件經(jīng)常發(fā)生。僅在近450萬年里，就可以分出四個磁場極性不同的時期。有兩次和現(xiàn)在基本一樣的“正向期”，有兩次和現(xiàn)在正好相反的“反向期”。而且，在每一個磁性時期里，有時還會發(fā)生短暫的磁極倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

　　地球磁場的這種磁極變化，同樣存在于更古老的年代里。從大約6億年前的前寒武紀(jì)末期，到約5.4億年前的中寒武世，是反向磁性為主的時期；從中寒武世到約3.8億年前的中泥盆世，是正向磁性為主的時期；中泥盆世到約0.7億年前的白堊紀(jì)末，還是以正向極性為主；白堊紀(jì)末至今，則是以反向極性為主。如果把地球的歷史縮短成一天，在這期間你會發(fā)現(xiàn)手上的指南針像瘋了似的亂轉(zhuǎn)，一會兒指南一會兒指北。

　　地球磁場變化威脅人類

　　在電影《后天》中我們曾看到這樣的鏡頭，群鳥迅速遷徙甚至一頭撞向墻壁，大如拳頭的冰雹砸向四處躲避的人群。電影為我們真實地展示了地球磁場易位對人類的危害。

　　地球為什么有磁場？磁場又為什么會反轉(zhuǎn)？

　　第一種解釋：地球磁場變化可能與來自地下的低頻輻射有關(guān)

　　雖然人類已經(jīng)進入21世紀(jì)，科學(xué)改變了我們的生活，但科學(xué)卻還沒有征服自然，更多的時候它只是在記錄那些不可思議的事情是如何發(fā)生的。例如，未知的地下低頻輻射。

　　科學(xué)家發(fā)現(xiàn)來自地下的低頻輻射與一些神秘的事故存在密切關(guān)系�，F(xiàn)在尚不清楚產(chǎn)生這種輻射的確切原因，但科學(xué)家估計可能是地殼運動的結(jié)果。當(dāng)?shù)貧�劇烈運動時，電磁粒子就會從地下逃逸出來。檢測顯示，當(dāng)這種輻射爆發(fā)時，交通事故和求醫(yī)看病的人會明顯增多。

　　科學(xué)家還觀察到地球磁場出現(xiàn)了空洞，由此推斷地球磁極可能在不久的將來改變方位。事實上，現(xiàn)在北磁極就在向西伯利亞方向移動，南磁極則移向澳大利亞海岸�？茖W(xué)家推斷磁極1.5萬年才會易位一次，每次都造成大批動物死亡，恐龍、猛犸象很可能就因此滅亡，大西洋一些神秘沉沒的海島也可能與磁極易位有關(guān)。

　　地球上還有不少黑暗地帶，在這些區(qū)域里事故頻發(fā)，人體器官也會嚴(yán)重受損�？茖W(xué)家認為這也是輻射在“搞鬼”。在地質(zhì)斷裂帶及不同層面的地下水流交匯地區(qū)，磁場會出現(xiàn)異常變化，這種變化甚至對大氣電流都有影響。研究顯示，只有5%的人對地下輻射具有抗干擾能力。

　　第二種解釋：地球是一個巨大的“發(fā)電機”

　　大多數(shù)人認為，指北針當(dāng)然指向北方。數(shù)千年以來，水手依靠地球磁場來導(dǎo)航；而鳥類和其他對磁場敏感的動物已經(jīng)應(yīng)用這個方法有更長一段時間了。說來奇怪，地球的磁極并不是一直都指向現(xiàn)在的方向。

　　礦物可以記錄過去地球磁場的方向，人們利用這一點，發(fā)現(xiàn)在地球45億年的生命史中，地磁的方向已經(jīng)在南北方向上反復(fù)反轉(zhuǎn)了好幾百次。不過，在最近的78萬年內(nèi)都沒有發(fā)生過反轉(zhuǎn)——這比地磁反轉(zhuǎn)的平均間隔時間25萬年要長了許多。更有甚者，地球的主要地磁場自從1830年首次測量至今，已經(jīng)減弱了近10％。這比在失去能量來源的情況下磁場自然消退的速度大約快了20倍！下一次地磁反轉(zhuǎn)即將來臨嗎？

　　一些地球物理學(xué)家認為，地球磁場變化的原因來源于地球中心的深處。地球像太陽系里的其他某些天體一樣，是通過一個內(nèi)部的發(fā)電機來產(chǎn)生自己的磁場。從原理上，地球“發(fā)電機”和普通發(fā)電機一樣工作，即由其運動部份的動能產(chǎn)生電流和磁場。發(fā)電機的運動部份是旋轉(zhuǎn)的線圈；行星或恒星內(nèi)部運動部分則發(fā)生在可導(dǎo)電的流體部分。在地心，有著6倍于月球體積的巨大鋼鐵融流海洋，構(gòu)成了所謂的地球發(fā)電機（geodynamo）。

　　我們探究磁場如何反轉(zhuǎn)之前，需要了解是什么驅(qū)動著地球發(fā)電機。在1940年代，物理學(xué)家就公認：三個基本條件對產(chǎn)生任何的行星磁場是必需的，并且自那以后的其他發(fā)現(xiàn)都是建立在這一共識之上。第一個條件是：要有大量的導(dǎo)電流體──地球地心的外核是富含鐵的流體。這個臨界層包裹著一個幾乎純鐵的固態(tài)地心內(nèi)核，深埋在厚重的地幔和極薄地大陸、海洋地殼之下。距離地表的深度約2900千米。地殼和地幔重量帶來的極大負荷，造成了地核內(nèi)的平均壓力是地表壓力的200萬倍。此外，地心的溫度也同樣極端──大約為攝氏5000度，和太陽表面的溫度相近。

　　這些極端的環(huán)境條件，構(gòu)成了行星發(fā)電機的第二要件：驅(qū)動流體運動的能量來源。驅(qū)動地球發(fā)電機的能量，部份是熱能，部份是化學(xué)能——兩者都在地心深處造成浮力。就像一鍋在火爐上熬著的湯一樣，地心的底部比頂部熱（地心的高溫是地球形成時截留在地球中心的熱能）。這意味著地心底部較熱的、密度較低的鐵趨向于上升，就像熱湯里的水滴。當(dāng)這些流體到達地心頂部時，會由于碰到上覆的地幔而喪失部份熱量。于是液態(tài)鐵會冷卻、密度變得比周圍的介質(zhì)高，從而下沉。這個通過流體的上升和下降來自下而上傳遞熱量的過程稱為熱對流。

　　現(xiàn)任職于美國加州大學(xué)洛杉磯分校的StanislavBraginsky在1960年代指出過，熱量從地心上部的外核逸出也會導(dǎo)致地心固態(tài)內(nèi)核體積的膨脹，產(chǎn)生兩種另外的浮力來源來驅(qū)動對流。當(dāng)液體的鐵在固態(tài)內(nèi)核的外部凝固成晶體時，潛在的熱量——結(jié)晶熱會作為副產(chǎn)品被釋放出來。這些熱量有助于增強熱浮力。此外，密度較低的化合物（如硫化鐵和氧化鐵）被內(nèi)核的結(jié)晶體排出并穿過外核上升，也會加強對流。

　　行星要產(chǎn)生自維持的磁場，還需要第三個條件：旋轉(zhuǎn)。地球的自轉(zhuǎn)通過科里奧效應(yīng)（Corioliseffect）使地心內(nèi)上升的流體偏轉(zhuǎn)，就像我們在氣象衛(wèi)星影像上看到的洋流和熱帶風(fēng)暴被科里奧效應(yīng)扭曲成熟悉的漩渦狀一樣。在地心中，科里奧力（Coriolisforces）使上涌的流體偏轉(zhuǎn)，沿著螺旋形的軌跡上升，仿佛沿著松弛彈簧的螺旋狀金屬線運動。

　　地球有著一個富含鐵的液態(tài)地心能夠?qū)щ�、有足夠的能量�?qū)動對流、有科里奧力使對流的流體偏轉(zhuǎn)，這些是地球發(fā)電機能夠維持它本身數(shù)十億年的主要原因。但科學(xué)家需要更多證據(jù)來回答磁場的形成和為什么隨著時間的推移會改變極性等令人迷惑的問題。

　　根據(jù)衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)外推至地心-地幔邊界的地球磁場的等高線圖顯示大部分磁通量是在南半球穿出地心，在北半球進入地心。但是在少數(shù)特殊區(qū)域，確實出現(xiàn)了相反的情況。這些反向通量帶在1980年和2000年之間增長和擴張；如果它們覆蓋了兩極，接著就會發(fā)生極性反轉(zhuǎn)。

　　雖然上述兩種解釋都有經(jīng)過驗證的科學(xué)理論作為依據(jù)，但也有一些科學(xué)家對此提出了他們的疑問。希望在不久的將來，科學(xué)家能夠為我們揭開謎團。

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