想象一下，你看着指南针，发现原本指向北方的红色指针如今转向了相反的方向。
这听起来令人害怕，但这也是一种必然会发生的真实现象。地球物理学家早已知道，地球磁场——抵御有害太阳辐射的重要屏障——在地球历史上曾多次反转，最近一次发生在78万年前。一些科学家认为，下一次反转早该发生了。
一项新研究对磁场作出了高度可信的预测。研究团队利用所有现有的古地磁数据（这些数据记录在过去200万年的岩石中），构建了一个数学框架，准确预测了这一时期内发生的所有磁场反转，因此能够对未来作出切合实际的预测。
这项研究发表在《地球与行星内部物理学》期刊上。
“我们的技术独具特色，因为它采用简化的数值模型，并运用复杂的方法将模型与数据结合起来。”该研究的主要作者、亚利桑那大学数学系助理教授马蒂亚斯·莫茨费尔德（Matthias Morzfeld）说，“根据我们的计算，未来4000年内无需担心磁场反转。”
地球磁场由地核中极其复杂的液态金属流动产生，因此远比教科书中常见的图示复杂：一个北极、一个南极，两极之间有看不见的磁力线。实际上，磁场还有其他磁极分量，不过它们都比我们大多数人熟悉的这两个磁极弱得多。
莫茨费尔德说：“我们知道磁场会发生反转，但问题在于没人知道导致这种事件的条件是什么，也不知道反转期间会发生什么。例如，磁场会完全消失，还是会改变形态？”
根据目前相互竞争的理论，当地球磁场减弱到某个阈值以下，或强度迅速衰减时，反转就即将发生。当前磁场虽然很强，却在迅速衰减，因此一些科学家认为这是反转即将发生的迹象；另一些科学家则认为磁场仍然太强，不会发生反转。
“简化示意图”
莫茨费尔德的团队将简化的数学模型与通过研究岩石磁化特性收集的地球物理数据结合起来，试图找出哪种理论更有可能正确。
莫茨费尔德说：“我们掌握了过去几十年的详细数据，也有过去几个世纪以来船只进行的测量，但再往前追溯，我们能研究的就只有岩石了。岩石的磁化特性可以告诉我们一些有关磁场的信息，因此我们有涵盖200万年的数据，能够反映磁场的强度和构型。”
莫茨费尔德及其合著者没有试图计算地球磁场背后极其复杂的过程，而是使用了可以在笔记本电脑上运行的简易模型，并输入过去200万年的数据。这段时期内发生过七次磁场反转。
要以数学方式真实描述为磁场提供动力的液态金属流动过程，需要数百万个方程，因此没有任何计算机能在数百万年的时间跨度上忠实模拟这些过程。但数学模型若要发挥作用，未必需要如此复杂。
莫茨费尔德说：“我们使用低维模型来描述地球内部发生的情况，这些模型基本上是简化的示意图。借助它们，我们可以应用非常复杂且先进的算法，将模型与地球物理数据结合起来。这让用户能够稍微降低模型的计算需求，并将更多计算资源用于把模型与数据整合。”
用过去的数据检验预测
随后，研究团队使用一种称为回溯预测的技术检验这些模型。
莫茨费尔德解释说：“我们用地球物理记录中的数据校准模型，然后停止使用这些数据。接着，我们在过去任选一个时间点进行预测。如果发现模型能准确预测过去发生的事情，就可以有一定把握地认为它也能预测未来。”
在测试的几个模型中，有一个模型尤为简洁而强大，成功预测了过去200万年间发生的所有磁场反转事件。该模型使用三个方程：一个描述偶极场，一个描述非偶极场，第三个则代表地核内部流动的影响。
莫茨费尔德解释说：“如果我告诉你反转会在未来20亿年内发生，这毫无实际意义；如果我告诉你明天就会反转，也同样毫无实际意义。我们试图找出一个有意义的时间范围，让这些简单模型能够在其中作出预测，结果这个范围约为4000年。”
有意思的是，研究人员没有发现证据支持所谓的“不可逆点”存在，也就是磁场强度达到某个阈值后便会触发反转。不过，借助模型，他们确实找到了以计算概率表示的可靠阈值。
“这些模型和我们的数学框架让我们能够计算诸如‘磁场将在4000年内反转’这类事件发生的概率。我们发现，如果计算出的概率超过某个阈值，反转就极有可能发生。”
届时会发生什么
平均而言，地球每隔25万年就会发生一次磁场反转，不过两次反转之间的间隔差异很大。那么，当反转最终发生时，人类会面临什么？
莫茨费尔德解释说：“磁场会变得非常弱，但没人知道接下来会发生什么。磁场可能只是改变形态，从偶极构型变为四极构型。磁场也可能彻底崩溃，那就相当糟糕，因为地球将暴露在太阳风之下，卫星等都会受到影响。另一方面，磁场反转过去已经发生过，地球上的生命也存活了下来。”
这项研究与巴黎地球物理研究所的亚历山大·富尼耶（Alexandre Fournier）和戈捷·于洛（Gauthier Hulot）合作开展，并获得亚利桑那大学全球倡议“国际研究发展资助”以及美国国家科学基金会的部分资助。
