地球為什麼有磁場？磁場又為什麼會反轉？近來對於地球內部的相關研究，為下次的地磁反轉提供了新的線索。
撰文／格拉茲麥爾（Gary A. Glatzmaier）、歐爾森（Peter Olson）
翻譯／傅宗玫
大部份的人都認為，磁針會指向北方是理所當然的。數千年來，水手靠著地球的磁場來導航；而鳥類和其他能感應磁場的動物，則已經運用這個方法有更長一段時間了。然而奇怪的是，地球的磁極並不是一直都朝著現在所指的方向。
有些礦物可以記錄地球磁場的方向；根據它們的記錄所顯示，在地球45億年的歷史中，地磁的方向已經反覆南北倒轉了好幾百次。不過，在最近的78萬年內都未曾發生過倒轉──這比之前發生倒轉的平均間隔時間25萬年要長了許多。此外，地球的主要磁場自1830年首次測量至今，已經減弱了將近10％。這個速率相當於在失去能量來源的情況下，磁場自然消退速率的20倍。難道是，下一次的地磁反轉即將來臨？
利用電腦模擬的地球發電機，其磁力線顯示出，地球磁場在地核外的部份比在地核內部單純得多（地核內遍佈糾結的線條）。磁場主要由南極附近穿出地表（黃色長線），而在北極附近進入地表（藍色長線）。
地球物理學家很早就知道，地球磁場變化的原因深藏於地球中心。地球就如同太陽系裡的一些其他天體，是利用內部的發電機來產生磁場。基本上，地球發電生磁的機制就和普通發電機一樣，藉由某個部份運動的動能，產生電流和磁場。在一般的發電機裡，運動的部份是旋轉的線圈；而在行星或恆星裡，運動的則是導電的流體。在地球核心，有著體積相當於六個月球、處於熔融狀態的鐵，形成不斷環繞流動的汪洋，構成了所謂的地球發電機（geodynamo）。
地球內部清楚的分成幾個層次，包括液態的外核──該處的亂流對流形成了複雜的循環結構，進而產生地球磁場。
一直以來，科學家主要是靠著簡單的理論來解釋地球發電機和其神秘的磁力。但最近10年，研究人員發展出新的方法來探索地球發電機的詳細運作機制。人造衛星能清楚拍攝地表磁場的圖像；而利用超級電腦來模擬地球發電機，以及在實驗室裡建立的物理模型，則解釋了軌道上的觀測結果。這些工作，對於過去的磁極反轉提出了一套很有意思的解釋，更對下一次的反轉事件將如何展開，提供了新的線索。
驅動地球發電機
在我們開始探索磁場如何反轉之前，必須先了解，是什麼力量驅動著地球發電機。在1940年代前，物理學家便已明白，行星要能產生磁場，必須滿足三項基本條件；之後的發現都是建構在這個基礎上。第一要件，要有大量的導電流體──地球的外核為液態，且富含鐵質。這關鍵性的外核包覆著幾乎是由純鐵所組成的固態內核，深埋在厚重的地函與極薄的大陸、海洋地殼之下，距離地表的深度約2900公里。地殼和地函的重量，使地核內的平均壓力高達地表壓力的200萬倍。此外，地核的溫度也十分極端──約為5000℃，相當於太陽表面的溫度。
這些極端的環境條件，構成了行星發電機的第二要件：流體運動的能量來源。驅動地球發電機的能量，部份是熱能，部份是化學能──兩者都在地球核心深處造成浮力。就像一鍋在爐上燒著的湯一樣，地核底部比頂部熱。（地核的高溫來自地球形成時囚禁在中心的熱能。）因此地核底部那些較熱、密度較低的鐵會上升，就像熱湯裡的大氣泡那樣。當這些液體到達地核頂端，碰到上方的地函時，會喪失部份的熱。於是液態鐵會冷卻、密度變得比周圍環境高，因而下沉。這個透過流體的上升及下沉，將熱能由下往上傳送的過程，稱為熱對流。
留言列表
