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地球的磁场像看不见的意大利面一样从地球四周延伸出去。这个磁场是由地核的剧烈运动产生的,它对人类的日常生活非常重要:它保护地球免受太阳粒子的影响,它为导航提供了物理基础,它可能在地球生命进化中发挥了重要作用。
地球周围的磁场但是如果地球磁场明天突然消失会发生什么呢?更多的带电太阳粒子将会轰炸地球,使电网和卫星失灵,并使人类暴露在更高水平的致癌紫外线辐射下。换句话说,一个缺失的磁场会产生问题,但不一定是灾难性的后果,至少在短期内如此。
这其实是个好消息,因为一个多世纪以来,地磁场一直在减弱。即使是现在,也存在一些磁场特别微弱的地方,比如南半球的南大西洋异常区,这给低轨道卫星的运行带来了技术问题。
南大西洋异常区关于磁场,首先要了解的是,即使它将减弱,它也不会消失,至少在几十亿年内不会消失。地球的磁场是由熔化的外核形成的,外核主要由铁和镍构成。罗彻斯特大学的地球物理学家JohnTarduno说,随着地核的增长和固化,地核内部释放的对流热量为地核的旋转提供了动力。(内核每年大约增长一毫米。)
这个磁场引擎,被称为地球发电机,已经运行了数十亿年。根据年的一项研究,科学家们认为,目前的地核结构可能在大约15亿年前形成,那个时期地球的磁场强度出现了飞跃。但是Tarduno和他的团队在地球上最古老的矿物锆石中发现了磁场存在的证据,可以追溯到42亿年以前,这表明地核活动在更久之前就开始制造磁场。
Tarduno表示,目前还不清楚这台地球发电机的启动原因,但有可能是导致月球形成的巨大行星撞击造成的。这次撞击发生在地球形成后大约1亿年,它可能会使地核中的任何物质分层:想象一下摇动一瓶行星大小的油水混合物。这一撞击可能促进了对流,而对流至今仍驱动着地球发电机。
最终,内核很可能会变得足够大,以至于外核的对流不再那么有效,磁场也会随之失效。但这种情况太遥远了,不值得为此而失眠。
“我们说的是几十亿年之后,”Tarduno说。
磁场减弱会造成灾难吗?
与人类生活更相关的是,地磁场正在减弱。在过去的年里,科学家们一直在用磁力观测站和卫星直接测量这种减弱。关于该磁场之前是否一直在减弱,以及以后会不会持续减弱,都还不明朗。Tarduno说,目前的磁场大约有80%是偶极的,这意味着它的作用就像一块条形磁铁。如果你能把铁屑布置在地球四周(不考虑太阳的影响,太阳喷出的称为太阳风的带电粒子吹向地球,会把规则的地磁场线吹得像长发在微风摇摆),由此产生的磁场线将显示一个明确的南极和北极。但是仍有20%的地磁场是非偶极的,这意味着它更复杂,有局部的变化。
太阳风吹拂下的地球磁场在过去,磁场发生过翻转,南北交换。最后一次逆转发生在78万年前,大约是直立人(Homoerectus)的时代。在这些反转之前通常都出现了磁场减弱,这引发了人们对另一场磁极反转是否即将到来的疑问。但磁场有时也会正常减弱,然后在不翻转的情况下再次增强,这种现象被称为磁偏移。
Tarduno和他的团队发现,南非地核的一个奇怪漩涡可能是造成这种磁场弱点的部分原因。这一涡旋似乎造成了南大西洋异常区,这一区域从巴西以东约英里(公里)横跨南美洲大部分地区,是已知的地磁场薄弱环节。在这个区域,来自太阳风的带电粒子比其他地区更接近地球。南大西洋异常区对地面的影响并不特别明显。但是,地球轨道卫星在那里会遇到更多具有破坏性的太阳粒子,曾在国际空间站上穿越该地区的宇航员报告说,“宇宙线视觉现象”被认为是由那里近地轨道上相对高水平的辐射造成的。
宇宙线视觉现象磁场消失后的地球
Tarduno和他的团队怀疑,南非地幔的变化可能是过去磁场逆转的触发点。好消息是,即使磁场在减弱,或者准备翻转,它也不会消失;没有证据表明磁场在逆转过程中会完全消失。
即使磁场逆转,“我们仍然会有磁场存在;这将是一个非常弱的磁场。
这个磁场最弱的世界会是什么样子?首先,你的指南针不管用。“它将指向最高磁场的区域,”Tarduno说。“它可能离你很近它可能非常遥远。”
北极光和南极光将在低纬度地区都能看到,因为这些彩色光线是太阳风中从太阳喷射出来的带电粒子与地球磁层相互作用的结果。目前,这些极光出现在两极附近,遵循地球南北磁场线,但较弱的磁场将允许粒子穿透地球大气层,照亮赤道附近的天空。
极光南大西洋卫星异常的情况可能在全球变得普遍,这将导致技术故障。太阳粒子可以干扰电子设备,在所谓的单事件扰动(single-eventupsets,SEUs)中扰乱卫星计算机内存。当太阳粒子与地球大气层的带电层电离层相互作用时,它们也会把电子从分子轨道上撞出来。这些自由电子会干扰用于通信的高频无线电波的传输。
随着时间的推移,太阳风和地球大气之间的相互作用也会破坏臭氧层,Tarduno说,这将增加人类受到的集体紫外线辐射量,并增加皮肤癌的风险。
伦敦玛丽女王大学的空间等离子体物理学家马丁·阿彻说:“虽然这可能不会对生命造成完全灾难性的影响,但如果没有磁场,地球上的辐射剂量会高得多。”
几乎没有证据表明过去磁场的变化影响了地球上的生命。不过,阿彻表示,磁场无疑塑造了地球的表面,有助于防止地球脆弱的大气层被无情的太阳风吹到太空。
磁场对于形成大气层并不是至关重要的——金星没有磁场,它仍有一个巨大的,虽然未必受生命欢迎的大气层——但它确实起到了额外保护层的作用。火星曾经有磁场,但在大约40亿年前失去了磁场,它的大气层几乎完全被剥夺了。阿彻说,如果有一种方法能让月球拥有类似地球的大气层,由于月球没有磁场保护,太阳风将在短短一个世纪内使这个大气层化为乌有。
金星大气本文编译自《Livescience》