編譯 姚人杰

磁極正在偏轉(zhuǎn)，而且偏轉(zhuǎn)得比以往更快。為了弄清原由，我們必須探究地球的中心。

你能否指出北極？幾乎不可能。即使你有羅盤在手，你也可能輕易弄錯(cuò)。假如你在加利福尼亞，你的羅盤指針也許會(huì)偏差整整18度。“你需要考慮到這一點(diǎn)，就算你只是在徒步旅行，偏差可能就是往左走和向前走的區(qū)別?！蓖げ祭剩╓illiam Brown）在英國地質(zhì)調(diào)查局說道。

因?yàn)榇艌?chǎng)的局部扭曲，你的羅盤可以丟棄；不僅如此，磁北極也不在以前的位置。1900年，磁北極位于加拿大；一個(gè)世紀(jì)之后，磁北極靠近格陵蘭島。在過去18年里，磁北極每年向東快速移動(dòng)大約40公里，目前一路奔向西伯利亞。

地球磁場(chǎng)的奇異行為并不止這些。它偶爾還會(huì)翻轉(zhuǎn)磁極：在地球歷史的某些時(shí)候，羅盤指針會(huì)指向我們所稱的南極方向。就算在如今，在地表下的某些地方，羅盤仍然會(huì)指向錯(cuò)誤的方向。到底發(fā)生了什么？這個(gè)謎團(tuán)對(duì)于科技和地球的未來具有深遠(yuǎn)的影響。

為了對(duì)付這個(gè)問題，我們需要像儒勒·凡爾納那樣探訪一趟地球中心，那兒有著磁場(chǎng)的本源，但這并非實(shí)用的做法。相反，富有創(chuàng)造力的頭腦早已探究出：地球磁場(chǎng)在千萬年前被凍結(jié)在星球中，建造出包含液態(tài)鈉的巨大旋轉(zhuǎn)球體。所有這些能幫助我們更好理解地球、避開太陽風(fēng)暴、找出正確的回家路線。

盡管我們之中極少有人去過北極地區(qū)，但我們對(duì)北極感覺像科羅拉多大峽谷或珠穆朗瑪峰之類的地標(biāo)一樣熟悉，小孩子知道北極是圣誕老人居住的地方。但在世界之巔有著不止一個(gè)極點(diǎn)，有地理北極，那是地球自旋軸與地面接觸的地方；有磁北極，地球磁場(chǎng)在那兒徑直指向下方。北極在移動(dòng)中，在地球另一頭的南極同樣如此。磁南極并不位于如你預(yù)料的南極洲中央，而是在稱為維多利亞地的區(qū)域的海岸外。

數(shù)世紀(jì)以來，磁場(chǎng)是如何形成的一直是個(gè)謎團(tuán)，從勒內(nèi)·笛卡爾（René Descartes）到愛德蒙·哈雷（Edmond Halley）等思想家都為之煩惱。愛因斯坦曾經(jīng)認(rèn)為磁場(chǎng)的來源是物理學(xué)中最大的未解謎團(tuán)之一，他考慮過的想法是，磁場(chǎng)是電子和質(zhì)子這兩種粒子的電荷之間的不匹配帶來的結(jié)果。但最終勝出的想法由愛爾蘭物理學(xué)家約瑟夫·拉莫爾（Joseph Larmor）在100年前提出。他提出：磁場(chǎng)是地球中心的翻滾導(dǎo)電液體的結(jié)果（地磁場(chǎng)）。

我們有充足理由相信拉莫爾是正確的。我們從穿過地球的反彈聲波知道，地球擁有兩部分的金屬核。內(nèi)核的溫度有6 000攝氏度，比太陽表面更熱，但因?yàn)榫薮髩毫Χ３止虘B(tài)。外核是熔化的鐵，體積是月亮的7倍。

外核的外層與內(nèi)層溫度不同，這意味著液態(tài)鐵始終以對(duì)流形式流動(dòng)。炙熱的液態(tài)鐵涌向外核的外層表面，然后降溫變得更加致密，并再次落回內(nèi)部。液態(tài)金屬中充滿電子，電荷的流動(dòng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。

假如這種流體的流動(dòng)僅依賴對(duì)流，那么地球磁場(chǎng)也許會(huì)呈現(xiàn)相對(duì)簡單的形態(tài)。然而，地球的自轉(zhuǎn)將流體推向不同方向，而推動(dòng)力取決于流體在星球的位置。而且，離內(nèi)核不同距離的液態(tài)金屬的密度不同，從而它的粘度也不同。這些因素疊加起來，在外核中形成復(fù)雜的紊流模式，產(chǎn)生混亂糾纏的磁力線。

考慮到所有這些情況，磁北極沒有猛烈偏轉(zhuǎn)看來令人驚訝；但流動(dòng)發(fā)生得很緩慢?！爱?dāng)我們說流動(dòng)是紊亂的，我們是指在數(shù)萬年的時(shí)間尺度上?！奔又荽髮W(xué)圣克魯茲分校的加里·格拉茨邁爾（Gary Glatzmaier）說道。

于是，這種緩慢的紊亂可以解釋磁極點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)；但接下來會(huì)發(fā)生什么尚不清楚。磁北極是否繼續(xù)移動(dòng)？可能移動(dòng)多遠(yuǎn)？是否會(huì)在磁極完全翻轉(zhuǎn)的邊緣？這些是值得提出的問題。畢竟，是地球磁場(chǎng)讓太陽風(fēng)的帶電粒子轉(zhuǎn)向，否則那些粒子會(huì)像傾盆大雨一樣落在我們頭上。沒有人期望地球磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生任何劇烈變化，如果發(fā)生了，它會(huì)讓我們付出昂貴代價(jià)。

要掌握磁場(chǎng)的未來，一種辦法是審視它的過往。當(dāng)磁性巖層形成（如長石變熱再變冷）時(shí)，其內(nèi)的晶體對(duì)準(zhǔn)當(dāng)時(shí)主要磁場(chǎng)的方向?！澳承┚w內(nèi)部有磁性夾雜物，它們是磁場(chǎng)的絕佳記錄器?！绷_切斯特大學(xué)的約翰·塔杜諾（John Tarduno）說道。解讀這些晶體，就獲知幾百萬年前的磁場(chǎng)記錄。

而且，那是一份相當(dāng)了不起的記錄，顯示出地球磁場(chǎng)在歷史上的減弱和增強(qiáng)，甚至偶爾是完全翻轉(zhuǎn)。我們知道，在過去的8 300萬年里發(fā)生過183次磁極翻轉(zhuǎn)，最后一次發(fā)生在78萬年前。塔杜諾與他的同事分析了來自加拿大魁北克、擁有5.65億年歷史的磁性巖，發(fā)現(xiàn)那時(shí)的磁場(chǎng)大約比現(xiàn)在弱了10倍，是到目前為止測(cè)量到的最低值。在當(dāng)時(shí)，地球經(jīng)歷了75 000年的變動(dòng)期，磁場(chǎng)混亂無常，迅速改變方向，強(qiáng)度時(shí)強(qiáng)時(shí)弱。

這不僅確認(rèn)了地球磁場(chǎng)在千萬年里一直在變化，它也揭示出早期地球的更多情況。塔杜諾說：“看起來當(dāng)時(shí)磁場(chǎng)正在崩潰邊緣?！奔偃绫罎⒄娴陌l(fā)生，地球上就不太可能出現(xiàn)復(fù)雜生命。沒有磁場(chǎng)的話，大氣層會(huì)被太陽風(fēng)吹走，任何生命形式都會(huì)遭受強(qiáng)烈輻射。是什么防止了這場(chǎng)災(zāi)難？根據(jù)塔杜諾對(duì)磁場(chǎng)記錄的詮釋，那是因?yàn)榈厍驁?jiān)實(shí)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)。

在這個(gè)時(shí)候，整個(gè)地核看上去都像熔化了，但也開始顯著降溫，這會(huì)減緩對(duì)流，削弱磁場(chǎng)。但它也會(huì)允許最深的那部分地核開始結(jié)晶。硅和氧之類較輕的元素會(huì)從固體中排出，進(jìn)入初生的外核，使得它的較深部分不那么致密，為對(duì)流增加新的力量?！拔覀兿嘈?，當(dāng)內(nèi)核開始形成，它為磁場(chǎng)提供新的能量源泉?！彼胖Z說。

他的研究也揭示出，目前地球表面從津巴布韋延伸到智利的區(qū)域的磁場(chǎng)極弱。事實(shí)上，因?yàn)槟瞧瑓^(qū)域的磁場(chǎng)如此微弱，經(jīng)過該區(qū)域上空的衛(wèi)星需要保護(hù)。缺少正常磁場(chǎng)的防護(hù)，衛(wèi)星的電子裝置處于被太陽風(fēng)燒毀的危險(xiǎn)。塔杜諾和同事已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在這片區(qū)域的一個(gè)地點(diǎn)，也就是非洲南部地下的古登堡界面，磁場(chǎng)實(shí)際上逆轉(zhuǎn)了，羅盤在那兒會(huì)指向南極?！斑@是件令人震驚的事?！彼胖Z說。

偏轉(zhuǎn)的磁極

地球磁場(chǎng)的北極一直在向西伯利亞移動(dòng)，在過去幾年里移動(dòng)速度越來越快

他和團(tuán)隊(duì)在各種地點(diǎn)看到過往的異常情況，甚至已經(jīng)開始觀察它們是如何移動(dòng)的?！暗搅四硞€(gè)階段，我們能在地核流（core flow）中追蹤一些異?，F(xiàn)象?！彼胖Z說。他們甚至能看到，那些異?，F(xiàn)象偶爾演變成完全的逆轉(zhuǎn)?！坝袝r(shí)，這些異常情況不斷增大，以至于整個(gè)磁場(chǎng)突然逆轉(zhuǎn)極性?！彼f道。這就提出了疑問：磁北極的偏轉(zhuǎn)是不是標(biāo)志著即將發(fā)生磁場(chǎng)逆轉(zhuǎn)？

那是格拉茨邁爾與同行試圖查明的一件事。為了實(shí)現(xiàn)那個(gè)目標(biāo)，他們需要超越測(cè)量過往磁場(chǎng)，建立磁場(chǎng)的計(jì)算機(jī)模型，預(yù)測(cè)磁場(chǎng)的下一步變化。譬如說，從應(yīng)用于移動(dòng)導(dǎo)電流體的物理基本定律開始，他們能制造出“偶極”（dipole：有兩個(gè)相反磁極的磁場(chǎng)）。當(dāng)他們運(yùn)行模型后，他們看到隨著時(shí)間和地點(diǎn)不同導(dǎo)致的強(qiáng)度變化；他們也看到偏轉(zhuǎn)的磁極點(diǎn)，甚至看到偶爾的磁場(chǎng)逆轉(zhuǎn)。所有這些都和我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界里看見的現(xiàn)象相一致。2019年4月，他們模擬了磁北極向東移動(dòng)時(shí)的快速“地磁變化”。

盡管這讓人印象深刻，模型仍然未能完全模擬真實(shí)的磁場(chǎng)?！拔覀兊挠?jì)算機(jī)模型很復(fù)雜，但現(xiàn)實(shí)磁場(chǎng)更復(fù)雜?！备窭倪~爾說。沒有人擁有建立磁場(chǎng)逼真模型的計(jì)算能力?！傲黧w結(jié)構(gòu)扭曲和改變了現(xiàn)存的磁場(chǎng)，在此過程中產(chǎn)生更多磁場(chǎng)。我們不得不使用十分粗糙的近似模型?！?/p>

假如你想要預(yù)測(cè)地表任何一個(gè)地點(diǎn)的磁場(chǎng)方向，情況會(huì)變得更加復(fù)雜。地球“地磁場(chǎng)”模型不會(huì)運(yùn)作得那么完美，因?yàn)榇艓r集中區(qū)可能會(huì)侵入局部磁場(chǎng)，產(chǎn)生磁偏差，讓磁力線偏離南北縱向。這就是在加州部分地區(qū)和世界許多其他地方，羅盤為何不會(huì)筆直指向北方的原因。

四個(gè)北極

你能區(qū)分地磁北極和難抵極嗎？

地理北極位于地球的自轉(zhuǎn)軸上，地理南極在另一端。

磁場(chǎng)極是地球磁場(chǎng)徑直指向下方的地方，因此你的羅盤指針在那兒會(huì)不停旋轉(zhuǎn)。

地磁極是最靠近磁場(chǎng)極、軸線又穿過地球中心的地點(diǎn)（磁北極和磁南極之間的連線不穿過地球中心）。

北難抵極（圖中未顯示）是北冰洋中最遠(yuǎn)離陸地的地點(diǎn)。

或許，我們需要更加逼近現(xiàn)實(shí)的模型（物理模型而不是數(shù)字模型）。作為地核的物理模型，馬里蘭大學(xué)丹尼爾·拉斯羅普（Daniel Lathrop）的液態(tài)鈉球體實(shí)驗(yàn)裝置最令人印象深刻。

正如任何化學(xué)老師告訴你的，鈉是一種難以處理的金屬，甚至在極小量時(shí)也是如此。鈉變濕時(shí)會(huì)著火，有時(shí)在潮濕空氣里會(huì)自燃，在學(xué)校的化學(xué)藥品儲(chǔ)藏柜里，鈉通常都安全地保存在油中。

拉斯羅普要應(yīng)付的不是小劑量的鈉。在他的實(shí)驗(yàn)中，他會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)直徑有3米的不銹鋼圓球，球內(nèi)裝滿了液態(tài)鈉。整套裝置重達(dá)20噸。在圓球中心有一個(gè)直徑1米的實(shí)心金屬內(nèi)核，它可以高達(dá)每秒15周的速度獨(dú)立旋轉(zhuǎn)。外側(cè)表面上分布著31個(gè)磁強(qiáng)計(jì)，由它們測(cè)量裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)。因?yàn)檫@套地核模型比真實(shí)的地核小許多，馬里蘭大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)用比鐵導(dǎo)電更佳的金屬、更快的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行彌補(bǔ)：當(dāng)裝置設(shè)置到全速時(shí)，圓球每秒會(huì)旋轉(zhuǎn)4周。

拉斯羅普和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)演示，液態(tài)金屬的紊流會(huì)增強(qiáng)和維持磁場(chǎng)，證實(shí)拉莫爾的地磁場(chǎng)假設(shè)確實(shí)符合事實(shí)。然而，到目前為止，他們尚未得以讓磁場(chǎng)自發(fā)出現(xiàn)；而根據(jù)推測(cè)，地球的磁場(chǎng)必定是自發(fā)出現(xiàn)的。他們目前要先施加種子磁場(chǎng)，再由攪動(dòng)的液態(tài)鈉放大這個(gè)磁場(chǎng)。這讓人看到希望，但又讓人感到氣餒：我們無法表明地球磁場(chǎng)是“無中生有”的，僅能證明它來自于導(dǎo)電流體的運(yùn)動(dòng)，而且無法確定模型的有效性，也無法用這個(gè)圓球裝置來預(yù)測(cè)磁場(chǎng)何時(shí)會(huì)經(jīng)歷逆轉(zhuǎn)。

拉斯羅普的實(shí)驗(yàn)也許遺漏了一個(gè)關(guān)鍵要素。研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)識(shí)別出金屬中的一種似乎由進(jìn)動(dòng)引起的弱流（weak flow）。進(jìn)動(dòng)是一種額外旋轉(zhuǎn)，就像輕輕推動(dòng)一個(gè)旋轉(zhuǎn)中的陀螺，讓它擺脫直立狀態(tài)，這會(huì)導(dǎo)致陀螺繞著垂直軸緩慢旋轉(zhuǎn)，同時(shí)也繞著它自身的軸自轉(zhuǎn)。地核肯定受到這種進(jìn)動(dòng)影響，當(dāng)?shù)厍蚶@著太陽旋轉(zhuǎn)時(shí)，地球受到月球引力的牽引。但拉斯羅普的裝置沒有生成進(jìn)動(dòng)的明確機(jī)制。拉斯羅普發(fā)現(xiàn)，在他的實(shí)驗(yàn)里，這些弱流似乎是由地球本身的旋轉(zhuǎn)方式產(chǎn)生。

我們也許能從德國德累斯頓正在建設(shè)的改進(jìn)的新研究項(xiàng)目中獲知更多信息。2018年，亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心（HZDR）實(shí)驗(yàn)室的研究人員計(jì)算出，讓液態(tài)鈉繞著兩根軸旋轉(zhuǎn)的話，應(yīng)該能讓磁場(chǎng)自發(fā)形成。他們的計(jì)算也模擬了與軌道平面垂直線相差23.5度的地球進(jìn)動(dòng)方式。

這個(gè)想法的實(shí)際實(shí)施非常大膽。這套裝置會(huì)包括一個(gè)裝有8噸液態(tài)鈉的圓筒，圓筒會(huì)繞著長軸以每秒10周的速度自轉(zhuǎn)，又會(huì)繞著一根略有不同的軸以每秒1周的速度旋轉(zhuǎn)。安全問題是最讓人關(guān)切的事。HZDR的安德烈·吉塞克（André Giesecke）說：“我們有一棟建筑專門來進(jìn)行液態(tài)鈉實(shí)驗(yàn)，該建筑中還有另一套建筑用于防泄漏。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)，沒人會(huì)在建筑里?！?/p>

這些驚人的研究值得付出努力。更好理解地球磁場(chǎng)能讓人類避免更大的危險(xiǎn)。假如我們能弄懂地球磁場(chǎng)如何變化，我們就能在保護(hù)電網(wǎng)免受太陽風(fēng)暴破壞方面做更多，因?yàn)樘栵L(fēng)暴能從磁場(chǎng)變?nèi)醯牡胤介L驅(qū)直入；我們也能避開宇宙射線傷害人類的可能。在最極端的情況下，我們可能徹底失去地球磁場(chǎng)，就像火星在大約40億年前的遭遇。那樣會(huì)放松地球?qū)Υ髿鈱拥目刂?，最終使得我們的家園變得像紅色火星一樣不適合居住。地球磁場(chǎng)可能有奇異行為，磁極可能偏轉(zhuǎn)，但我們不能想當(dāng)然地以為：地球磁場(chǎng)這層護(hù)罩會(huì)永久存在。