54. 是什么导致了地球磁场的逆转？What causes reversals in Earth's magnetic field?

指南针或罗盘的发明促进了人类在地球表面的远距离航行，从而导致了人类现代文明的快速传播、融合和发展。而这个重大发明所依赖的是一个客观事实：地球存在宏观的磁场。地球总体就像是一个巨大的磁铁，今天地球磁场的分布如图1所示，图中显示，地球的磁极和地球自传所导致的地理南北两极大致对齐（二者有大约11.5度的差别）。根据磁场的性质，从地球内部出来的磁力线会形成一个封闭的连续的环路，而地理北极附近的磁力线则几乎垂直于地面发出，会一直延申到外太空很远的地方才会回到南极而形成一个回路。

图1 地球的磁场图像

地球的磁场产生于地球的内部，并能够向外一直延伸到外太空，形成一个被称为地球磁层的区域。地磁层的磁力线由于受到太阳风的影响会发生扭曲，呈现出如图2所示形状。显然，地球磁层区的磁力线在更大的范围内为地球提供了一个磁场的屏蔽，它可以阻挡从太阳发射出来的高能带电粒子流（太阳风），从而保护地球上的大气免受太阳风的轰击，为地球生命提供一个适宜的大气环境。假如地球失去磁场，地球气候就会变得和火星一样，成为一颗大气稀薄、气候干冷的行星（据推测火星以前存在磁场，其大气层和地球类似，但在大约40亿年前由于某种原因火星失去了磁场，导致火星大气层受太阳风的不断轰击，加速逃离了火星表面，从而变成火星今天的气候状态）。

图2 地球的磁场及屏蔽磁层

然而指南针在地表所展现的磁场只是当地整体磁场沿着地表的部分，在地表所测量到的磁场中包含了沿着经线的磁场（向北），沿着纬线方向的磁场（向东）和垂直于地面的磁场（向上），所以在地表测量到的表面总磁场强度是这几部分磁场强度的和。显然我们可以看到地球表面上总的磁场强度的分布并不像我们想象的那样：南北两极强度最大的对称分布。所以地球表面处磁场磁力线的指向实际上是比较复杂的，可以参照图3所示的今天地球的磁力线分布。

图3 现在地球磁场的磁力线分布

地球磁场今天的分布特征当然来源于人类对地球磁场的直接测量。人类对地表磁场强度的测量从1840年左右就已经开始，目前正在运行的地磁观测站的位置如图4所示。除了地球磁场的地表观测站之外，自20世纪60年代以来，人类也开始采用卫星对地球磁场进行了断断续续的观测（测量地磁所发射的卫星在此不做详细介绍）。

图4 地球磁场地表观测站的位置分布

然而在人类观测地磁以前，地球的磁场到底是怎样的？由于磁场的磁化保存作用，人类可以通过对地球早期形成岩石和矿物沉积的磁场进行研究，从而确定过去地球磁场分布和变迁。岩石作为磁性矿物（比如磁铁矿、赤铁矿、黄铁矿等）的载体是古地磁研究的主要对象，科学家首先通过放射性元素精确确定古老岩石的年代，然后研究不同年代岩石的磁场分布，从而给出当时地质年代地球早期的磁场信息。根据不同时期形成的岩磁信息，科学家发现了地球磁场逆转的证据。1906年，法国地球物理学家伯纳德·布容首次发现，法国熔岩流之下粘土中的剩磁方向与其上熔岩流的方向正好相反，从而推测地磁场可能发生过逆转。带着这个疑问，世界各地的地质工作者在全球范围内做了大量的古地磁测量和实验，结果发现这不是一个局部现象，而是一个在全球各地都存在的可以互相印证的发现，最终基本确定了地球磁场发生翻转的现象。人类迄今发现的最早的地磁记录在35~40亿年前（地球年龄约为45亿年），由此可见地球自产生之始就存在磁场，而这之后地球每隔大约10~100万年就会发生一次南北磁极的逆转，而这种现象的持续时间和下一次“翻转”的时间间隔并不均匀，地磁逆转有时频繁有时缓慢，最短的逆转周期可以在100年以内发生，最长的逆转间隔可以长达100万年。

图5 地球岩层不同地质年代所表现的地磁逆转周期（黑白代表磁场逆转）

无论如何，科学家经过不断的研究后发现，在过去的250万年里，地球磁场已经南北翻转了几十次，而地球磁场的最后一次逆转（即形成今天的地球磁场）发生在石器时代，但这次地磁逆转所持续的时间和下一次“翻转”可能发生的时间并不清楚，也就是说现在的地球磁极将在哪时候再次发生翻转，人类并不能确定，但近些年地磁强度减弱和磁场分布漂移的证据似乎表明地球现在正处于地磁逆转期（从南北磁场减弱到形成新的北南磁极的时间）。研究人员利用火山岩的记录来研究最近一次磁场逆转的时间，发现它发生在大约78万年前；研究人员根据上一次逆转附近或期间火山喷发的熔岩流序列测量地磁逆转的持续时间，发现这种逆转持续了2.2万年，这个结果比之前大家认为的1千到1万年的逆转跨度要长得多(Sci. Advan., 5, eaaw4621, 2019)。

图6 地球的内部构造核外核的磁场来源

这些对地磁逆转的研究让人们对地磁逆转现象产生的机制产生兴趣，到底是什么导致了地球磁场持续不断地逆转？地球内部的液态环境和外在不断变化的磁场首先可以否定地球是一个永磁体（参考10.地球内部的运动），所以地球的磁场应该产生于地球内部液态芯核物质的运动。和太阳周期性的磁爆现象类似，地球磁场应该来源于内部液态外核内磁性流体的复杂运动，据此英国科学家Larmor于1919年提出所谓的地球发电机模型(dynamo model)。该模型认为地球外核芯中导电的铁镍金属流体受冷热浮力、地球自传等因素的驱动会产生对流运动，这种对流产生的电流激发了感应的磁场，而这个磁场反过来又推动了流体的运动形成一种稳定自持的运动，称为地球发电机。

图7 地球磁场的数值模拟图

在地球发电机模型的基础上，通过求解一组非线性耦合的磁流体动力学方程，在三维磁场模拟中科研人员在1991年左右首次数值再现了地球磁场的翻转过程，大量地磁逆转模拟显示地球磁场逆转是地球地幔下液态核磁流体动力学过程中的非线性不稳定性所导致的自发行为(Nature 452, 165–167, 2008), 并不需要外界其他因素的触发, 其行为与太阳磁场每11年自发倒转的过程非常相似（可参考科学问题51.太阳周期）。

但这个结论显然是有问题的，地球磁场的非线性周期性紊乱一定不仅仅是非线性磁流体耦合动力学方程本身的动力学造成的，而其边界条件的变迁和外界环境的改变，例如地球自传变化导致的切向磁流体漂移、地球火山活动中地幔层岩浆的活动等等，都会触发造成非线性流体方程的磁场分布从一个稳定的南北磁极状态逐渐漂移紊乱最终到达另一个相反的南北磁极分布。但目前数值模拟的结果依然不能给出地球磁极逆转的确切周期，也就是无法找到导致地磁逆转现象的真正原因，所以地磁逆转和地球气候的冰河周期、太阳的活动周期、以及地球运动的改变及其他星球的影响到底有没有关系，这些因素是不是也会成为地球磁场发生逆转的外在原因，目前依然没有确切结论。