地球磁极面临大反转? 专家:磁场正在迅速减弱

　　地球磁极面临大反转？

　　强烈的太阳风暴每隔大约11年就要来一次，不过从百年来的发生情况来看，似乎对我们影响不大，为什么呢？因为地球有个大盾牌，那就是地球磁场，它消解了绝大部分来自太阳的高能粒子和带电粒子。然而近期的科学研究表明，地球磁场正在迅速减弱，这是否意味着又一次地球磁极翻转的开始？ 2012年左右新一轮太阳风暴又要来了，有人预测会来得很猛烈，这个盾牌会在多大程度上保护我们的地球？

　　地球之“盾”——磁层正迅速变弱

　　辽宁日报:近来关于太阳风暴的报道引起了人们的关注，比如8月上旬暴发的一次太阳风暴已经到达地球，只是这次强度较小，有科学家预测未来几年将很强烈，也许会给地球带来灾难性影响，而我们今天讨论的就是地球面对太阳风暴的一个重要的自我保护措施——地球磁场，那么您觉得地球磁场是否能肩负起抗击未来几年强烈太阳风暴的重任？

　　杨学祥:最强烈的太阳风暴源于太阳黑子活动的峰年期。黑子的实质是剧烈活动的呈紧密缠绕状态的太阳环向磁场，它像拉紧的皮筋，易被扯断，扯断之后太阳大气中的能量会释放出来，形成耀斑，向太阳系空间发射出大量高速高能粒子和带电粒子的混合体等，形成强烈的太阳风，我们习惯称它为“太阳风暴”。这些被抛射出的粒子会到达地球，撞击地球磁场和大气层，但绝大部分太阳高能粒子被阻挡在地球磁层之外，仅有少量沿着地球磁力线进入地球。地球磁场的磁力线从南极流向北极，在两极地区形如漏斗，尖端对着地球的南北两个磁极，因此粒子流会沿着地磁场这个“漏斗”沉降，一般进入地球的两极地区，两极的高层大气，受到轰击后会发出光芒，形成极光。地球磁场实际上是对太阳风暴起到了一个屏蔽、抵御和保护地球的作用。

　　辽宁日报:看来地球磁场的作用还是很大的。

　　杨学祥:地球磁场是地球的重要物理场和环境因素之一，展布的空间很大，包围地球，保护着地球上的生物免受宇宙辐射的伤害，起到“盾”的作用，其中就包括把绝大部分太阳风粒子阻挡在地球之外，对人类的生存和发展起着至关重要的作用。

　　辽宁日报:人们关注太阳风暴，往往注重其本身的强度，比如通过观测黑子活动的情况、太阳释放粒子的密度来判断太阳风暴的规模，进而分析对地球可能造成的影响，这没错，但既然磁场对太阳风暴有一个抵御的作用，那么我们就不仅要关注“矛”有多锋利，还要关注我们的“盾”是否坚硬。

　　杨学祥:是的，我们一方面要观察、研究太阳风暴本身，一方面还要考虑地球磁场和大气的防护能力，两者综合起来才能把影响考虑周全。尤其是地球磁场，不但被我们关注得少，而且这个“盾”也并不让人乐观，有研究发现，我们的地球磁场正在减弱。

　　历史上的磁极反转都伴随着磁场异常和强度减弱

　　辽宁日报:磁场强度在变弱？

　　杨学祥:科学家的近期研究表明:地球磁场正在迅速减弱。在过去的160年里，磁场强度令人吃惊地下降了10%。比如丹麦行星科学中心一个研究小组，详细分析了丹麦“阿斯泰兹”号人造卫星收集的最新资料，在对比新旧数据后惊讶地发现，地球两极的磁场正在变化，南大西洋和北冰洋的磁场都出现了多个大洞。科学家分析，南大西洋和北冰洋下方的液体金属地核(外核)可能出现了巨型涡流，从而影响了其上空的磁场。由于巨型涡流的力量足以逆转其他涡流的方向，因此极有可能令地磁场南北极就此开始大翻(反)转。另外通过对1980年～2000年的地球磁场研究发现，地球磁场存在很大的地理差异：在亚洲、太平洋地区磁场变化较小，非洲、欧洲和大西洋的变化非常大，变化最大的地区是非洲南端，在这个地区的磁场极性与正常的极性刚好相反。

　　辽宁日报:这是否预示着出现另一次地磁翻转的开始？听说地球历史上出现过多次“磁极反转”。

　　杨学祥:磁极反转作为地质事件，在地球发展史上曾经出现过，许多国家已经从地质勘测中研究火山岩和沉积物中的金属粒子所构成的远古磁场查到了地磁反转的证据。研究发现，磁场在最近600万年间发生了三次翻转，这三次的间隔时间不等，最近的一次翻转是在70万年前。所以“翻转”是在很长的时间尺度上发生的。而地磁场发生逆转前，磁力急剧减弱，甚至出现零磁场，就是说磁场衰减是翻转过程中的一种现象。目前有些地区地磁场的强度确实有下降的趋势，但是否意味着磁场的强度还会持续降低，是否意味着地磁将要在未来千百年的尺度内翻转，科学家还存在争议，没有定论，需要继续观测和深入研究，英国的《自然》杂志和美国的《科学》杂志近几年都相继发表相关的文章对这一现象进行了探讨。

　　辽宁日报:那么，为什么会产生地球磁极翻转或者说倒转的情况？地球磁场是怎么产生的？

　　杨学祥:地球是一个各圈层差异旋转的分层地球，即地壳、上地幔、下地幔、外核和内核旋转的角速度不同，其中内核快速旋转，由固态的铁组成，外核是黏滞性很低的导电液态铁；在差异旋转及各种天体的作用力下，在外核尤其是内外核交界处形成快速旋转的环形电流，从而生成了地磁场。地核和地幔的差异旋转导致圈层角动量交换，部分自转动能通过摩擦转变为热能，积累在外核，形成地球内部唯一的液态圈层。与此同时，由于角动量交换，地核旋转变慢，地幔旋转变快，圈层差异旋转方向发生反向变化，导致地球磁极倒转。所以，地磁变化与外核旋转热涡流密切相关。根据人造卫星过去20年录得的磁场变化数据，发现在地下深层产生地球引力的熔流，在接近南北极位置出现巨大旋涡，并以加强磁场逆转的方向转动，因而削弱现有磁场，可能会导致两极易位。

　　辽宁日报:地球磁极反转对地球会产生怎样的影响？

　　杨学祥:地磁极反转首先能引发强烈的构造运动。热能积累在外核导致地核膨胀，胀裂地幔，核幔边界的地幔热流——热幔柱顺势上升，形成地表巨大火山区。这是中生代温暖期火山频发与异常的静磁带 (地磁极性长期不变带)对应的原因。其次，地磁极性反转会产生一个地磁强度为零的时期。大家知道地球生物曾经发生过大灭绝的现象，比如某些有孔虫在几百万年前之突然全部灭种、中生代恐龙之突然灭绝等，但同时一些其他种类的动物突然出现，比如哺乳动物，这些突变都与地磁反转在时间上有吻合之处。是否是由于失去地磁的保护，太阳风的高能粒子横扫地球表面导致生物灭绝？这值得我们研究，特别是零磁场与生物演进的关系。但确切的关系是怎样的，我们还不清楚，因为目前来说在数据上的证据并不充分。另外，利用现在技术进行模拟实验研究也没有可行性，任何一个实验室都无法完成如此巨大规模的模拟实验。

　　磁场减弱将使南北两极海冰大量融化

　　辽宁日报:也许发生磁极反转将在很遥远的未来，而且磁极反转的具体影响还未弄清楚，但我们还是要对目前磁场的减弱予以关注，因为要发生强烈的太阳风暴了，地球磁场的减弱是否会对其“抵抗”太阳风暴、保护地球不利？

　　杨学祥:太阳风暴发生过程中来自太阳的带电粒子很容易迸入极区产生电离作用，产生极光，引起磁暴和电离层暴，它在地磁场中的运动会产生强大的感应电流，其结果可能导致该地区电网变压器的铜线快速加热并融化，电流失去控制，严重损坏该地区的电力系统、通讯线路，如果地球磁场强度减弱，捕获能力就会减弱，那么发生电离的范围就会扩大，电网等被损害的范围可能会随之加大。

　　辽宁日报:记得2009年美国科学家在对2012、2013年的太阳风暴预测及报告中提到“美国、加拿大，甚至中国、日本等会出现全国性停电”的情况，按以前发生的太阳风暴来看，不会对中国、日本这样的总体上属于中纬度的国家产生太大的影响，但这次他们的预测如此悲观，是否就是把地磁变化考虑进去了？

　　杨学祥:因为还没有看到报告科研方面的原文，所以其具体的预测根据还不得而知，但地磁变化应该成为我们研究这次太阳风暴影响的重要的考虑因素，加以重视。

　　辽宁日报:在地磁减弱、太阳风暴猛烈的情况下，地球的气候、天气是否也会受其影响？

　　杨学祥:计算机模型的计算结果表明，如果两个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。

　　辽宁日报:您具体给我们讲讲。

　　杨学祥:到达地球的太阳辐射能大约有2%被平流层的臭氧吸收，7%被电离层吸收。当黑子活动高峰发生太阳风暴时，会大量破坏南极臭氧，随之产生“臭氧洞漏能效应”和“地磁层漏能效应”，使被臭氧层阻隔的2%的太阳能由平流层进入对流层，导致南极平流层变冷对流层变暖。收缩的平流层自转变快，膨胀的对流层自转变慢，这是赤道高空风产生的一个原因。拉马德雷现象就是太平洋上空高速气流方向转换的现象，拉马德雷暖位相增强厄尔尼诺事件，拉马德雷冷位相增强拉尼娜事件，从而影响大气环流和全球气候变化。这两个“漏能效应”也使太阳能量进入两极，北极和南极大陆边缘的海冰大量融化，打开南美洲德雷克海峡的海冰开关，减弱秘鲁寒流，进一步增强厄尔尼诺现象。与此同时，增高的海洋表面温度使更多氯元素从海洋进入大气，使臭氧洞进一步扩大，从而进一步影响气候，增加灾害性天气发生的几率。地球历史表明，强地磁场对应地球的寒冷气候，如第四纪冰期；弱地磁场对应高温气候，如中生代的温暖期。地磁场减弱也是全球变暖的原因之一：地磁场减弱导致更多太阳能量进入地球。

　　地球磁场本身异常是引起气候、地质等变化的重要因素

　　辽宁日报:太阳风暴的各种粒子会干扰地球的磁场，如果非常强烈的话，是否会使地球磁场本身发生较明显的变动？

　　杨学祥:太阳风和地磁暴的相关性是明显的，会引起高层大气磁活动和环形电流的相应变化。已有研究表明，太阳风与地球磁层顶相互作用，在极区上空的电离层中形成极区电急流。极区电急流通过地球磁力线传至中低纬度地区的电离层中，扰动电离层，不久之后，会发生灾害性天气。所以，地表和大气的电磁变化值得关注。

　　辽宁日报:那么，地球磁场本身的变化对地球，比如气候变化、地质变化有无影响？

　　杨学祥:人们普遍忽视地电和地磁的存在，认为它们很微弱。事实并非如此。一个偶然的机会，我发现一片树林明显地向北方倾斜，原来北部有平行的高压电线，电磁能对树林而言竟比太阳光更具有吸引力。地磁场的异常变化使地表地电场也发生变化，形成地电正异常区和负异常区。地表水从地电正异常区蒸发到高空，带的是正电；从地电负异常区蒸发到高空，带的是负电。带有异种电荷的云团最容易相互吸引而形成雷雨。相反，带有同种电荷的云团相互排斥，形成该地区的干旱。冰岛、非洲中西部和南大西洋是三个负电异常区，它们之间的地区是明显的干旱区，其中就有最干旱的撒哈拉沙漠；其两侧的北美洲和亚洲是正电异常区，在正、负电异常的交界带，是高降水量区。当电磁异常区发生变动时，电场的强度和极性也发生相应变化，由此引起的降水量改变导致全球旱涝灾害在不同地区发生。

　　谈到地质变化，地磁地电还与地震有密切关系，现在地震观测的一个重要手段就是对地磁(电)的监测。至于内在的机理，举个例子，携带大量磁性粒子的地下岩浆因为失去地磁的束缚而改变流向和流速，流向的改变将使地球固有板块的运动规律发生变化，而流速的降低将使岩浆自身的温度平衡机制遭到破坏，使地球不同部位之间地温温差增大，这将会产生地震频率和强度的增加。

　　辽宁日报:听您这么一说，感觉地球磁场及其变化太重要了，与抵御太阳风暴、气候变化、地质灾害都有密切的关系，看来我们应该密切注意地球磁场变化以做好各方面的预测、预防。

　　杨学祥:是的，应该说我们对地球磁场的重视程度及研究水平还很不够，但是正像你说的那样，种种迹象和研究表明，地球磁场是地球变化的重要因素，我们必须加强这方面的研究，特别是与太阳风暴关系的研究。近年来，全球地震、干旱、洪水、高温等极端气候的出现，不能排除和地磁减弱的关联。如果在今后若干年内，这些灾害气候频率和强度有增加趋势的话，并且地表测得宇宙射线辐射剂量同步增大，则可以确认这种关联。

　　辽宁日报：谢谢您的讲解。

　　专家档案

　　杨学祥，吉林大学地球探测科学与技术学院教授。主要从事地球动力学和自然灾害研究，发表文章近百篇，出版专著《地球差异旋转动力学》。主持完成国家自然科学基金资助项目“地球各圈层能量交换过程与全球变化的关系”。 2000年被评为吉林省第六批有突出贡献的中青年专业技术人才。 2004年和2010年被聘为中国地球物理学会天灾预测专业委员会委员。

　　□本报记者／刘洪宇