自然科普:地球磁场改变方向的速度要比原先预计的快得多
来源:新浪科技
发布时间:2021-04-08
浏览次数:1217

  在近期的新研究中,科学家通过模拟显示了10万年以来地磁场的动态变化,揭示地球磁场改变方向的速度要比原先预计的快得多。

  地磁场源自于地球内部,延伸至太空,就像一个保护罩一样,使地球的大气层保持在适当的位置,并保护生命免受宇宙辐射和太阳风的伤害。不过,地磁场平均每几十万年就会发生一次地磁逆转,即磁北极和磁南极突然(在地质时间尺度上)互换位置。上一次发生这种情况大约是在78万年前,称为布容尼斯-松山逆转。在之前的研究中,科学家估计这个过程需要数千年,以每年约1度的速度改变。

  在这项新研究中,研究人员指出,地磁场的这种方向变化可能比以往认为的快10倍,并且比最近观测到的变化快将近100倍。

  在地球表面下约2800公里处,地核的液态外核在不断流动,为无形的地磁场提供了动力。翻滚的导电岩浆产生了电荷,而这些电荷决定了磁极的位置,并形成了无形的磁力线。这些磁力线包裹着地球,连接着南北磁极。

  地核和磁场之间的相互作用十分复杂。外核中的熔融铁、镍的对流导致某些地方极具磁性,而另一些地方则磁性较弱。英国利兹大学地球与环境学院副教授、该研究的主要作者克里斯托弗·戴维斯表示,地球表面的磁场强度会随着时间而变化,也会因地核的不同位置而改变。在熔融的地核中,“流体扭曲并拉伸磁场,而磁场反过来推动了流体,抵抗这种扭曲”。

  “这种流体是很动荡的,简单来说,就像一锅沸水里的水流一样,”戴维斯说,“因此在地核内部,流体和磁场之间的相互作用是不同的。”换句话说,当液态外核“沸腾”时,这种运动在地核不同部分导致磁力的起伏,从而决定了这些区域如何影响磁层。

  对今天的科学家来说,这些相互作用中的某些变化是可见的,比如高纬度地区的强磁场区域;向东或向西漂移的磁场特征;以及在非洲和南美洲之间的一个长期存在的磁场弱区,即南大西洋异常区。

  早在几个世纪以前,水手们就在航海日志中记录了这一区域的磁场变化;近几十年来,卫星和天文台都捕捉到了这种变化。据此前的报道,近年来的观测表明,在过去的160年里,地球磁场的强度实际已经减弱,这表明地球可能会更早地经历地磁逆转。

  不过,戴维斯指出,追踪遥远过去的磁场变化要比想象的更具有挑战性。“我们知道磁极会发生倒转,但在数千年到数百万年的时间里,磁场究竟是如何变化的,仍然有很多信息等待发现,”戴维斯说,“在我们的研究中,我们提出了这样一个问题:磁场在这些时间尺度上改变方向的速度能有多快?”

  追踪流向

  为了回答这个问题,戴维斯和该研究的合著者凯瑟琳·康斯特布尔建立了一种新的磁场模型。该模型使用了过去10万年间的大量磁场观测数据。戴维斯表示,磁场变化可以体现在海洋沉积物、冷却的熔岩流,甚至是人造结构和文物中。

  “然而,像所有基于地球表面观测的模型一样,这个模型也只能向我们展示地核顶部的磁场;我们不能‘看到’地核内部,”戴维斯补充道,“因此,我们将这些结果与计算机模拟的磁场产生的物理过程结合起来。”归根结底,磁场的产生源自地核的运动。

  戴维斯和康斯特布尔发现,在磁场变弱的地区,磁场方向每年的改变可达10度。这一变化速率比之前模型预测的结果快了10倍,比目前观测到的变化速率快100倍。

  模拟结果表明,当地核熔融区域的方向逆转时,磁场方向将发生剧烈变化。这种地核逆转在赤道附近更为常见,与研究人员在低纬度地区观察到的磁场方向快速变化相吻合。研究人员在论文中写道,这项关于低纬度地区磁场变化最快的新证据表明,未来科学家应该把注意力放在这些区域。

  康斯特布尔说:“对这些模拟过程中不断变化的动力学进行更深入的研究,将为我们提供有用的策略,以记录这种快速变化如何发生,并了解这种变化是否也会出现在像我们今天这样的磁极稳定时期。”该研究的结果在线发表在7月6日的《自然-通讯》杂志上。(任天)

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