□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻譯 程思淼

地球為什么有磁場？

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻譯 程思淼

柯文采（Thijs Kouwenhoven）

地球的磁場

地球上很多動物體內(nèi)都有內(nèi)置羅盤，它們因此能夠感知到東、西、南、北的方向。鴿子就是其中之一，它們能借助體內(nèi)的“磁受體”找到回家的路。老鼠、蝙蝠、細(xì)菌、鼴鼠和蜜蜂中的一些種類也能利用磁受體感知方向。兩千多年前，在漢代的中國，人類制造了第一個羅盤。當(dāng)時人們稱之為“司南”。那時候，羅盤主要用于宗教目的和占卜。羅盤技術(shù)在宋代得到改進(jìn)，此時中國人已經(jīng)把它用作導(dǎo)航的工具，尤其是海上的導(dǎo)航。發(fā)明后差不多一千年，羅盤經(jīng)絲綢之路逐漸傳入中東、非洲和歐洲。很多世紀(jì)之后，人們才將羅盤的活動解釋為地球磁場的影響結(jié)果。此后不久，物理學(xué)家意識到，地球磁場具有北極和南極，而且它不僅存在于地球表面，也存在于地球周圍的空間中。

對地球磁場的首次測量發(fā)生在2000年前的中國。那時，人們發(fā)明了羅盤。羅盤最初用于宗教和文化的目的，改進(jìn)之后成為導(dǎo)航和軍事的工具。這幅攝于開封的圖片展示的是漢代司南的模型。圖片來源：Wikipedia

加拿大北部地區(qū)的極光。圖片來源：APOD

地磁場保護(hù)我們免于危險的宇宙射線的傷害，這其中主要是太陽風(fēng)（從太陽拋射出的高能粒子）的威脅。幾乎所有吹向地球的太陽風(fēng)都在地磁場的作用下偏離了方向，地球生物圈和臭氧層因此免于毀滅的命運。不過，這一磁場無法有效地保護(hù)地球兩極附近的地區(qū)。太陽風(fēng)轟擊大氣分子，于是就產(chǎn)生了兩極上空飄動的或紅或綠的美麗的光帶——極光。

如果地磁場消失了，又會發(fā)生什么呢？那將是一場大災(zāi)難。以太陽風(fēng)為首的危險的宇宙射線將毫無遮擋地從各處貫穿大氣層。這些高能粒子會撞擊任何它遇上的東西：撞擊高層大氣中的氮和氧的原子（發(fā)出紅色和綠色的光），撞擊臭氧分子（導(dǎo)致臭氧層的破壞），以及撞擊植物和動物的DNA（造成癌變）。

我們的衛(wèi)星——月球——沒有明顯的磁場。登月的宇航員暴露在來自太陽和其他源頭的宇宙射線之下，所以必須穿上厚重的宇航服才能保護(hù)自己。未來中國的空間站和現(xiàn)在國際空間站上的宇航員，多少也受到這樣的威脅。同樣，金星和火星也不怎么幸運：這兩顆行星都沒有足夠強(qiáng)的磁場來保護(hù)自己免受太陽風(fēng)的打擊。結(jié)果，金星和火星的大氣都在遭受雖然緩慢，但是持續(xù)不斷地破壞。而且，金星由于離太陽更近，遭到的破壞更厲害?；鹦巧先狈Υ艌觯步o人們未來殖民火星的計劃帶來了困難。如果我們打算在火星上居住，也許要把居所建在地下好幾米深的地方，才能保護(hù)我們不受宇宙射線的威脅。

好在我們的地球一直有一個足夠強(qiáng)大的磁場，保護(hù)生命在地球上得以誕生和演化。地質(zhì)學(xué)家通過研究很久以前形成的巖石，可以測出地球磁場在幾百萬乃至幾十億年前的強(qiáng)度。這些巖石有的是通過火山活動形成的（火成巖），有的是通過沉積作用形成的（沉積巖）。在這些巖石形成的階段，當(dāng)它們還沒有完全固化的時候，其中混雜的微小金屬粒子會在磁場的作用下規(guī)則地排列起來。

通過比較這些巖石的數(shù)據(jù)與近幾百年來對地磁場直接測量的結(jié)果，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，地磁場有著游移不定的運動，有時還會上下顛倒。北磁極目前位于加拿大北部，但它正以每年60千米的速度緩慢地向俄羅斯方向移動。更離奇的是地磁場的反轉(zhuǎn)（北極變成南極、南極變成北極）。這種反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的出現(xiàn)并沒有嚴(yán)格的規(guī)律，但大體上每過100萬年左右會有一次。上次反轉(zhuǎn)發(fā)生在78萬年前。反轉(zhuǎn)本身并沒有太大的危害，但在它們發(fā)生前后的一小段時間（幾十到幾百年）里，地磁場的強(qiáng)度會接近于零，而這是非常危險的。由于現(xiàn)有的模型還不夠好，我們并不知道下次磁極反轉(zhuǎn)會在什么時候到來。通過對巖石的測量，我們能夠知道的是，現(xiàn)在地磁場的強(qiáng)度比起發(fā)明羅盤的漢代下降了35%；而在過去150年里，這一數(shù)值下降了10%～15%。

地球磁場保護(hù)我們免于宇宙射線，尤其是太陽風(fēng)的威脅。只有在北磁極和南磁極附近的兩塊狹窄的環(huán)形區(qū)域，地磁場無法對大氣形成有效的保護(hù)。因此，我們在這兩個地區(qū)可以看到極光。每過100萬年左右，地球的磁場會發(fā)生反轉(zhuǎn)。在反轉(zhuǎn)前后的一段時間（幾十到幾百年）里，地磁場的強(qiáng)度接近于零。因此在這段時期，地球得不到磁場的保護(hù)。圖片來源：Michael Osadkiw (University of Rochester)

地磁場的起源

雖然關(guān)于地磁場起源的“自激發(fā)電機(jī)理論”已經(jīng)走過了近百年的發(fā)展，但是地質(zhì)學(xué)家在細(xì)節(jié)上仍然沒能達(dá)成一致。這個理論的主要論點是：地球內(nèi)部有大量熔融的巖石和金屬；它們的大規(guī)模流動，加上地球的自轉(zhuǎn)，造成了地球的磁場。

要進(jìn)一步理解這是如何發(fā)生的，我們首先需要對地球的成分有所了解。地球主要由兩類物質(zhì)組成：巖石和金屬。由于金屬一般比巖石要重（即密度大），它們大多沉到了地球的中心，形成一個由金屬組成的地核。地核的溫度非常高，這主要有兩個原因：第一，整個地球在形成之初都是非常熾熱的，而地核由于處在中心，至今還沒有冷卻下來；第二，有很多放射性金屬沉到了地核，它們的輻射會產(chǎn)生熱量。隨著越來越多的金屬向地心下沉，地核也變得越來越大。包圍在地核外面的是由巖石組成的地幔，這些巖石也非常熾熱，因此不能保持固定的形狀。地幔中這些巖石的流動，是地球表面大陸漂移的主要原因。巖石質(zhì)地球的表層完全冷卻，就形成了堅固的地殼。有時，地幔的大規(guī)模流動會沖擊地殼，引起地震和火山爆發(fā)，不過大部分時候兩者還是和平相處。最后，在地殼的頂端，有薄薄的一層水（海洋）和少量的空氣（大氣層）。

地球幾乎全是由巖石和金屬組成的。由于金屬比較重，它們大部分下沉到地心，形成了金屬質(zhì)的地核。地核溫度非常高，因為地球在誕生之初是非常熾熱的，而地核還沒有完全冷卻；另外，放射性金屬加熱了地核。地磁場說到底是由地核產(chǎn)生的。包圍著地核的是地幔。地幔主要由不成形的巖石組成。地幔的頂端是薄薄的固態(tài)巖石（地殼）以及少量的水和大氣。圖片來源：BarisSimsek / Sciencedaily(https:// www.sciencedaily.com/ releases/2010/10/101027 133152.htm)

幾個世紀(jì)以來，地質(zhì)學(xué)家建立各種模型，并進(jìn)行了大量的實地測量，以理解地球磁場的運作機(jī)制。他們的工作可以總結(jié)如下：

1.地磁場是在地核產(chǎn)生的；

2.隨著越來越多的金屬下沉，地核在不斷成長；

3.直到過去10億年里，地核的大小才足以產(chǎn)生一個磁場；

4.對巖石的分析表明，地球至少在34.5億年前就有磁場了，并且綿延至今，幾乎不曾斷絕。

顯然，最后兩條是矛盾的。一定是哪里弄錯了。這個問題困擾了地質(zhì)學(xué)家很多年。他們是不是忘了考慮什么因素？好在天文學(xué)家可以給出一個！

這與月球有關(guān)系

上面說到的問題，已經(jīng)由一個來自法國的天文學(xué)家團(tuán)隊解決了。他們在發(fā)表于《自然》雜志的論文（Badro et al. 2016, Nature）里解釋說，月球可以為這個問題提供一個答案。月球的形成，大抵是地球與另一顆火星大小的行星（稱為“忒亞”，Theia）撞擊的結(jié)果。同地球一樣，“忒亞”也由核和幔兩部分組成。撞擊之后，“忒亞”幔的一部分被拋到太空中，凝固并形成了月球。而剩下的大部分物質(zhì)，包括它的核，則與地球融合了。這個“忒亞”與地球融合的產(chǎn)物（即今天的地球）一開始是很混亂的，兩個行星的核與?；祀s在一起。后來，“忒亞”中的金屬成分才慢慢下沉到地球中心，并與地核融為一體。

關(guān)于月球的起源，最廣為接受的理論認(rèn)為：它是一顆火星大小的天體（被命名為“忒亞”）與地球相撞的產(chǎn)物。這一毀滅性事件產(chǎn)生了兩個積極的結(jié)果：一是給我們帶來了月球；二是按照巴德羅等人在發(fā)表于《自然》雜志的論文（Badro et al. 2016）中的看法，這場撞擊使地球在幾十億年里一直得到磁場的保護(hù)。圖片來源：Buzzle.com

這些金屬成分在下沉的過程中，也會帶著其他的成分一起下沉。其中特別值得注意的是氧化鎂（MgO）。氧化鎂在地幔中非常常見。它有兩個重要的性質(zhì)：第一，氧化鎂是一種親鐵（siderophile）物質(zhì)，也就是說，（在溫度不是很高的時候）它特別喜歡跟鐵待在一起；第二，氧化鎂的密度比鐵要小很多，因此，它傾向于待在地幔的上層。于是，氧化鎂的經(jīng)歷就好像一個風(fēng)流浪子的愛情故事：它跟著鐵去到它受不了的地方。氧化鎂陷入對鐵的愛情，隨著它下降到地球的中心。但這愛只在溫度不太高的時候才能維持。一旦鐵和氧化鎂進(jìn)入地核，周圍的溫度會迅速上升。到了接近地心的某個點，氧化鎂決定分手，然后迅速向上浮。隨著上浮，溫度又下降，這時候氧化鎂又可以愛上另一個鐵，開始一段新的地心之旅了。

可以想見，鐵的不斷下沉和氧化鎂上上下下的運動，把地球的中心攪得天翻地覆。按照論文作者的說法，正是這個愛情故事催生了距今10億年以前的地球磁場。為了檢驗他們的理論是否有效，論文作者還在法國的一個實驗室里設(shè)定各種地心的條件，用熔巖、鐵和氧化鎂（以及其他一些對此沒什么影響的材料，比如氧化鋁，Al2O3）等材料進(jìn)行了實驗。

不難想見，當(dāng)本來屬于“忒亞”的鐵全部下沉到地球中心之后，上述的過程也就停止了。這一轉(zhuǎn)變看來發(fā)生在10億年前，也就是地核剛好成長到足以產(chǎn)生自己磁場的前后。換句話說，看樣子，這些法國科學(xué)家已經(jīng)解決了遠(yuǎn)古地球磁場的難題！

木星上的極光與磁場示意圖。右上角的小圖中，紫色的假彩色部分是來自錢德拉X射線天文臺拍攝到木星極光中的強(qiáng)烈X射線輻射。圖片來源：APOD

對其他行星的推論

那么，上述結(jié)論對地球，對太陽系的其他行星，以及對潛在的宜居行星來說，意味著什么呢？首先，我們似乎是很幸運的，因為地球和“忒亞”相撞是在很久以前發(fā)生的。這場撞擊不僅給我們留下一顆衛(wèi)星，還留給我們一個在幾十億年時間里保護(hù)生物繁衍與演化的磁場。如果這場撞擊從未發(fā)生過，地球（和地球上的生命）將會怎樣呢？這很難說。但有一點是無疑的：我們目前在地球上見到的各種生物，在沒有磁場保護(hù)的日子里，處境都將十分艱難。

那么火星和金星情況如何呢？也許這兩顆行星也和其他的大天體發(fā)生過碰撞。這是很有可能的，因為按照行星形成的理論，一開始有十幾個火星大小的天體在繞著太陽公轉(zhuǎn)。不過，由于金星演化成了一顆沒什么自轉(zhuǎn)的行星，它也就無法擁有磁場。而火星雖然有自轉(zhuǎn)，但由于個頭比較小，它的核和?，F(xiàn)在已經(jīng)凝固，磁場早在幾十億年前就消失了。

我們現(xiàn)在還無法測量系外行星的磁場強(qiáng)度。不過，鑒于行星磁場對于（至少就我們所知的）生命形成和演化的重要性，行星磁場學(xué)將來有望成為一門顯學(xué)，成為全世界的地質(zhì)學(xué)家和天文學(xué)家緊密合作的新領(lǐng)域。