本文与 MIT News 合作发布。
在过去200年里，地球地磁场的强度一直在下降，下降速度之快让一些科学家怀疑，该磁场可能在2000年后跌至最低点，使地球暂时失去抵御太阳高能带电粒子伤害的保护。这种强度下降与地磁场周期性反转有关，即地球南北磁极的极性翻转，而这一过程可能持续数千年，之后才会恢复到稳定、能够提供屏蔽作用的强度。
地磁场减弱后，太阳辐射增强可能会损坏电子设备，从单个心脏起搏器到整个电网都可能受到影响，还可能引发基因突变。磁场反转也可能影响那些以地球磁场作为内部罗盘的动物的导航能力。
但麻省理工学院一项发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）的新研究显示，地磁场并不会在短期内发生翻转：研究人员计算了过去500万年间地球的平均稳定磁场强度，发现当今的磁场强度约为历史平均值的两倍。
这表明，当前的磁场强度距离引发反转的不稳定水平还有很大的下降空间。
“能否确定今天的磁场是长期平均水平，还是远高于长期平均水平，这一点意义重大，”第一作者、麻省理工学院地球、大气与行星科学系博士后研究员Huapei Wang说，“现在我们知道，我们远高于不稳定区间。即使[磁场强度]在下降，我们仍有充足的缓冲空间，可以放心依靠。”
历史上的磁极反复翻转
在漫长的地质历史中，地球经历了多次地磁反转，其极性会以随机的时间间隔发生翻转。
“有时可能约4000万年都不翻转，而另一些时候，100万年内会发生10次翻转，”Wang说，“平均而言，两次翻转之间相隔数十万年。上一次翻转发生在约78万年前，所以我们其实已经超期，该翻转了。”
即将发生反转最明显的迹象，是地磁场强度显著低于其历史长期平均水平，这表明地球正朝着不稳定状态倾斜。尽管卫星和地面观测站在过去200年里对当前磁场强度做出了精确测量，但对过去数百万年的估算可靠性则较低。
Wang与来自罗格斯大学及法国的同事希望利用加拉帕戈斯群岛火山喷发形成的古老岩石，测量地球的古地磁场。该地点十分理想，因为这一岛链位于赤道上。地球磁场在稳定状态下呈偶极子结构，因此两极的磁场强度应当相同，而赤道处的强度应为其一半。
Wang认为，只要了解赤道和两极的古地磁场强度，就能据此准确估算地球历史上的平均磁场强度。
来自偶极子的岩石
Wang从加拉帕戈斯群岛获取了古代火山熔岩样本，与此同时，来自加利福尼亚大学圣迭戈分校斯克里普斯海洋研究所的同事在南极洲挖掘出年代相近的岩石。此类火山岩会保存其冷却时地磁场强度的信息。
两个团队将样本带回各自实验室，测量了岩石的天然剩磁，即铁磁性颗粒的取向。随后他们对岩石加热，并在已知磁场中冷却，冷却后再测量岩石的磁化强度。
岩石的剩磁与其冷却时所处磁场的强度成正比。因此，研究人员利用实验数据，计算出古代地磁场强度的峰值分布：赤道约为15微特斯拉，两极约为30微特斯拉。而当今同一地点的磁场强度分别约为赤道30微特斯拉、两极60微特斯拉，正好是历史长期数值的两倍。
“这意味着今天的数值异常偏高。即使它正在下降，也是在下降到长期平均水平，而不是从平均水平降到零，”Wang说。
远未降至零
那么，科学家为何认为地球磁场正在急剧降至低点？Wang表示，原来这一假设基于有缺陷的历史数据。
科学家已估算了地球各纬度的古地磁强度，但Wang的研究是首批来自赤道地区的数据。然而，Wang发现，科学家对岩石如何记录其磁场的理解存在偏差，导致古地磁强度估算失准。具体而言，科学家此前假定，岩石中单个铁磁性晶粒在冷却时，其未配对电子的自旋会呈现统一取向，从而反映磁场强度。
然而，这种效应只在晶粒尺寸达到一定程度之前成立。在较大的晶粒中，未配对电子自旋会在不同磁畴中呈现不同取向，从而使磁场强度的图景变得复杂。
Wang开发了一种修正这类多磁畴效应的方法，并将其应用于加拉帕戈斯的熔岩样本。他表示，结果比以往对古地磁场的估算更为可靠。
至于地球何时可能迎来下一次翻转，Wang表示目前仍无定论。
“我能说的是，如果当前的下降速率保持不变，磁场还需要1000年才会降至其长期平均水平，”Wang说，“届时磁场强度可能会再次回升。至于之后会发生什么，由于地球发电机中磁流体动力过程的随机性，目前确实无法预测。”
由于研究结果表明，当前的磁场强度异常偏高，罗彻斯特大学地球物理学教授John Tarduno表示，科学家将不得不重新思考影响地球磁场的各种作用力。
“他们所说的是更短时间尺度上的变化，即百万年或更短，以及磁场偶极分量的重大变化，”Tarduno说，“这确实是一个具有挑战性的观点。如果它是正确的，那就真的需要我们以不同的方式思考发电机，以及这些变化究竟是如何发生的。”
刊登本文并不代表世界经济论坛认同文中观点。
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作者：Jennifer Chu，系 MIT News 特约撰稿人。
图片：在这张由德国宇航员Alexander Gerst从国际空间站拍摄的照片中，太阳光在水面上反射。REUTERS/Alexander Gerst。
