地球磁极是否真的要颠倒：风险来自全球变暖

                            杨学祥，杨冬红

地磁极倒转与地球各圈层差异旋转相关：潮汐摩擦是地球自转减慢的主要因素，重力分异和圈层角动量交换是地球自转周期变化的主要因素，重力分异造成的地球各圈层差异旋转是地壳自转变化先慢后快的特殊因素。重力分异将一个均匀的自转地球变为分层的差异旋转地球，在质量向地心集中的同时，自转动能也向地核集中，使地壳和地幔自转变慢，使地核自转变快。圈层角动量交换将地球自转动能变为热能，积累在核幔边界，使地壳和地幔自转变快，地核自转变慢。核幔边界积累的热能周期性使外核热膨胀，为热幔柱和火山活动提供了能源和动力，火山活动高峰对应地球自转加快是证据。计算模型表明，地球自转速度变化的规律和历史记录证明重力分异和圈层差异旋转是地壳运动的主要动力，受地球自转速度变化的约束，地球体积不会有较大的胀缩，国内外测量结果证实了这一结论。

Whyte指出，在过去4.5亿年中地球旋转加速时期主要对应了地磁正极性时期，而旋转减慢时期主要对应了负极性时期，志留纪至早泥盆纪和中生代由于地球旋转速度加快，使地磁极具正极性、洋脊活动增强、全球性海侵和古气候变暖。自晚泥盆纪至二叠纪和新生代，是地球旋转速度减慢时期，表现为负极性为主、洋脊活动减弱、全球性海退、气候剧烈变化和出现大冰期。这些资料表明，在几亿年时间尺度上，各种地质旋回有一定程度的相关性存在，与地球自转速度变化相对应。我们讨论了地球自转速度变化、构造运动、地磁极性倒转和灾害性气候相互对应的地球物理机制。

地核相对地壳的差异旋转决定了地磁场强度和极向。一般而言，亿年以上的磁极倒转是有规律的：冷气候对应负极性，暖气候对应正极性；例如石炭-二叠纪大冰期和第四纪大冰期对应地磁反向，中生代温暖期对应地磁正向；几十万年的极性变化与十万年的冰期周期没有准确的一一对应关系。有一个趋势是相同的：气候变冷导致目前地磁强度加强，气候变暖导致目前地磁强度减弱。

2013年，日本研究人员发现，地球磁场强度发生变动与极地冰盖增减导致地球自转速度出现变化有关。这一研究成果显示，地球磁场会受到气候变化的长期影响。事实上，我们在2011年和2013年的计算已经得到这一理论结果。

地球表面的质量大规模迁移会改变地壳和地幔的转动惯量，导致地壳和地幔相对液核（即外核）旋转速度的改变，使液核表面的环形电流相对地壳和地幔旋转的方向发生改变，从而能改变地磁场的极性。

地球在大冰川期有200 m厚的海水层变为两极冰盖，地壳和地幔转动惯量变小，旋转速度变快，这时地幔和地壳的自转角速度不断增大，于是出现了地幔自转角速度大于环形电流自转角速度的情形。以地壳为不动基准，液核表面的环形电流就是反转（即液核自转慢，地壳和地幔自转快），那么磁场极性也相应反转，形成的地磁北极在地理北极附近，磁南极在地理南极附近，称之为地磁反向期，这就是说，大冰期对应地磁反向。在地球的温暖期，两极冰盖融化导致海水流向赤道，地壳和地幔转动惯量增大，自转变慢，液核的转速又会相对地幔自转加速，环形电流也逐渐加快，重新恢复到地磁正向期。地幔与地核间的相对转动速度的变化，引发地球磁场磁极发生反转。

地磁场对大气层有保护作用。在地磁极性转换时期，地磁强度变弱甚至完全消失，太阳风中的高能粒子直射地表，破坏大气层和臭氧层，造成大量气体逃离大气层。

电离层吸收太阳能量的7%，臭氧层吸收太阳能量的2%。地球磁场的一个重要功能就是抵御太阳的高能粒子流即太阳风侵袭，如果地磁减弱，太阳的粒子流会更多地进入地球大气层，消耗两极的臭氧，并导致大气向空间流失。同时，地磁层的减弱和臭氧层的破坏使更多太阳辐射热量进入地球，增强气候的暖化，而热量首先要集中进入两极地区，北极和南极大陆边缘的海冰因此会大量融化，大洋中的海水增加，当洋壳由于海水增加、压力加大而下降，会压迫洋壳下软流物质向大陆运动，使大陆边缘上升；反之，当洋壳由于海水减少而上升时，大陆下软流物质向洋壳运动，使陆缘下降，整个地球板块类似跷跷板运动，从而促使地震发生，并使地震带集中在海陆交界的地区。

古地磁记录表明，在前寒武纪末至中寒武世的寒冷期，地磁场以负极性（地磁反向）为主，在中寒武世至中泥盆世温暖期，地磁场以正极性（地磁正向）为主，在中泥盆世至二叠纪末寒冷期，地磁场以负极性为主；在二叠纪末至白垩纪末温暖期，地磁场以正极性为主；在白垩纪末至今，地磁场以负极性为主。

20世纪初，米兰柯维奇提出第四纪冰期成因的天文假说，冰期的周期与2万年的地球近日点进动周期、四万年的黄赤交角变化周期、10万年的地球公转轨道偏心率变化周期相关，古气候资料证实了气候变化和轨道变化的关系，地磁场强度（注意：不是地磁极性）亦有明显的2、4、10万年变化周期。这表明，天文条件、冷暖变化、构造活动与地磁变化相关。

我们在1995年和2011年分别指出，第四纪冰期的5个亚冰期与地磁反向期有很好的对应关系。伏尔姆亚冰期（2-12万年）中的两次峰值与布容正向期中的Lashamp（2万年前后）和Xzone（10.8-11.4万年内）两次反向事件相对应。里士亚冰期（25-38万年）与Vzone反向事件（33-35万年）相对应。滚兹-明德尔间冰期（80-93万年）与松山反向期的Jaramillo正向事件（87-93万年）对应。亚冰期与地磁反向事件或地磁反向一一对应。

由于冰盖规模的不同，冰盖消长产生地壳和地幔转动惯量减少的规模也不同。大冰期和温暖期的转变一定会发生地磁极性反转，冰期和间冰期只能影响地磁变化，是否翻转不确定。如果全球变暖速度加快，两极冰盖完全融化，完全结束第四纪大冰期，进入温暖期，地磁翻转就成为必然；如果全球变暖规模小于75万年前，就不会形成地磁翻转。15-17世纪小冰期过后，近几百年来的全球变暖是地磁减弱的主要原因。

根据目前的一些资料来看，第四纪冰期处于地磁反向，现在仍处于这一状态，改变这一状态的因素就是全球变暖。近百年的全球变暖导致的冰盖融化使地壳和地幔的转动惯量加大，自转变慢，液核的转动在相对加快，此时环形电流与地幔的速度差减少，磁场强度变小，当最终一致并“超越”地幔转速的时候，地磁就会反转。

地磁变化还与外核旋转热涡流密切相关，根据人造卫星过去20年录得的磁场变化数据，发现在地下深层产生地球引力的熔流，在接近南北极位置出现巨大旋涡，并以加强磁场逆转的方向转动，因而削弱现有磁场，可能会导致两极易位。磁场衰减是翻转过程中的一种现象，目前有些地区地磁场的强度确实有下降的趋势。全球变暖可能是地磁减弱的主要原因。

参考文献 (References)

[1]      杨学祥, 陈殿友.地球差异旋转动力学. 长春:吉林大学出版社, 1998, 2, 27~33, 79, 120~122,196~198

[2]      徐道一, 杨正宗,张勤文, 等.天文地质学概论. 北京:地质出版社, 1983. 38, 181~195, 224

[3]      杨学祥, 陈殿友,寇艳春. 地应力地磁场与地震[J]. 东北地震研究, 1995, 11 (2): 23-30.

[4]      杨学祥, 陈殿友.地核的动力作用. 地球物理学进展, 1996, 11(1): 68~74

[5]      杨学祥, 张玺云.热幔柱的启动动力. 世界地质,1996, 15(2): 68~74

[6]      杨学祥, 陈震, 刘淑琴,等. 地球内核快速旋转的发现与全球变化的轨道效应. 地学前缘,1997, 4(1): 187~193

[7]      Song X D, Richards P G.Seismological evidence for differential rotation of the Earth’s inner core.Nature, 1966, 382: 221~224

[8]      杨学祥, 牛树银,陈殿友. 深部物质与深部过程. 地学前缘, 1998, 5(3): 77~85        

[9]     杨冬红,杨学祥. 灾害频发和地磁减弱的关系. 世界地质, 2011, 30(3): 474~480

[10]  杨冬红, 杨德彬,杨学祥. 地震和潮汐对气候变化的影响. 地球物理学报, 2011, 54(4): 926~934

[11]  杨学祥, 陈殿友.构造形变、气象灾害与地球轨道的关系. 地壳形变与地震, 2000, 20(3): 39~48

[12]  杨冬红, 杨学祥.地球自转速度变化规律的研究和计算模型. 地球物理学进展, 2013，28（1）：58-70。

相关报道：

作者：赵广立来源：中国科学报发布时间：2014-3-28 8:19:31 选择字号：小中大

吉大杨学祥教授释疑：地球磁极是否真的要颠倒

■本报见习记者赵广立

▲一张体现地球磁极和地理磁极并不一致的示意图。

▲地球内部结构及地磁北极从1990年至1996年的移动路径示意图，外地核据信是产生地磁场的源头。图片来源：百度图片

近日，英国《每日邮报》网站报道称，地球磁场在过去200年中已减弱了15%，这有可能是地球磁场将反转、两极颠倒的先兆，一旦反转，地球将遭遇强烈太阳风并可能引发持续数月的大规模停电。此外，反转还将导致地球气候发生剧烈变化，并使地表暴露在更多的太阳辐射之下，给人类带来毁灭性影响。

这已不是近年来人们第一次关于地磁将反转的猜想了。在2012年，“地球磁场反转”曾是“世界末日”的传闻之一，有人相信“南北磁极将会急速倒转，届时地球屏蔽宇宙射线的能力会大大减弱，我们将暴露在更多的太阳辐射之中”。

近百年来，地球磁场确实是在减弱，而且科学家也确实找到了史上地磁多次反转的证据。地球磁场为何会减弱？未来真的会发生大反转吗？吉林大学地球探测科学与技术学院教授杨学祥在接受《中国科学报》记者采访时表示，要弄清这个问题，先要知道地球磁场是如何形成的。

地球磁场强度时强时弱

杨学祥介绍说，地球内部圈层由外向内分为地壳、上地幔、下地幔、外核和内核，其中内核由固态的铁组成，外核是黏滞性很低的导电液态铁；同时地球的自转速度在天体引力作用下不断减慢。而重力分异造成地球各圈层成分的不同，内核重物质在下沉中加快了自转速度，形成了不同圈层旋转角速度的差异。另外，内核的高温和高压使电子游离集中在核幔边界，内核和地幔的差异旋转使外核的自由电子相对内核自转减速，相对地幔自转加速，产生强大的环形电流，从而形成了地磁场。

“液态外核的存在是地球磁场的热能条件，圈层差异旋转是地球磁场的动能条件，二者缺一不可。”杨学祥说，这种地球磁场的理论是目前人们比较容易接受的假说。

“现有的钻探技术，地下一万米都到不了。人类对地心的科学认识能力受到很大限制，地球内部未知东西依然有很多。”国家空间天气监测预警中心研究员、空间天气预报台台长薛炳森表示，到目前为止，科学家并没有完全了解地球磁场的产生、发生变化的原因以及发生这些变化的时间表。

不过，人们有能力察觉地球磁场近两百年来正在减弱。杨学祥告诉记者，尽管人类最近四五十年才能够借助相关仪器精确观测地球磁场变化，但科学家可以通过不同年代形成的岩石的剩余磁性判断当时地球磁场的强度和方向。所以，人类现在有公认的上亿年的地球磁场强度数据。

美国圣迭戈斯克里普斯海洋研究所的研究人员称，尽管目前地球磁场强度正经历一个减弱的过程，但是与过去数百万年地球磁场强度的平均值比，当前依然处于一个较高的区间，“地球磁场的强度有可能在500年内衰减到0，但更可能像过去数千年内发生的那样发生反弹，而非一直降低到0”。

杨学祥告诉记者，即便是地磁强度持续减弱，也不一定引起磁极反转。“数百万年内仅反转3次说明气候发生重大变化时才会有磁极反转，如上亿年前的大冰期和温暖期的转变，几十万年的冰期和间冰期的转变。如果本次磁极发生转变，则意味着第四纪大冰期的结束，类似中生代温暖期的再现。”

地磁反转并无规律

杨学祥指出，如果地球磁场发生反转，理论上要经过磁场强度减弱、0磁场强度出现、磁极反向并且反向强度逐渐增强三大步骤。

现在人们已知道20世纪的100年里，磁北极点一直在加速漂移，每年平均约移动10千米，两极磁场也在减弱，故长此下去，地磁是会发生倒转的。

北京天文馆馆长朱进曾表示，地球磁极早晚会反转，“通过以前的观测可以知道，地球的磁极会有一个南北极互换的现象，但这需要一个非常长的时期，绝不可能在短时间内完成，至少在我们有生之年不可能遇到这种事情”。

薛炳森也认为，目前有些地区地磁场强度确实在下降，但是否意味着磁场强度会持续降低、将会在未来千百年尺度内发生反转，科学界还存在很大的争议，没有定论，需要继续观测和深入研究。

有研究显示，地球磁场的反转可能跟地球的内在动力有关。2008年，美国马里兰大学地球物理学家Dan Lathrop制作了一个26吨重的地球模型，内部也含有一个相似的液态的铁核。他使这个球旋转（自转），看它的内部流体的运动是否能产生一个磁场。这个实验让人们了解到地球磁场强度变化可能受哪些因素的影响。

通常这样一个穿透南北极地区的磁场会稳定存在很久。但是偶尔，地球磁场会发生倒转或者强度发生改变。地磁两极在过去数百万年中确实发生了很多次的倒转。根据铁磁沉积物的记录，最近一次地磁倒转发生在78万年前。

有文章声称，地磁倒转会周期性发生。杨学祥认为这没有任何科学依据。“在过去1.6亿年内，地磁倒转发生得非常没规律。”

长期数据显示，历史上稳定的地磁场最长大概保持了4000万年之久（在6500万年前的白垩纪），而最短的只保持了数百年。因此，地磁倒转并不具有固定的发生周期，科学家们无法预言下一次地磁倒转会在什么时候发生，因为它在地球历史上看起来像是随机发生的。

地磁异常和气候变化

2013年，日本研究人员发现，地球磁场强度发生变动与极地冰盖增减导致地球自转速度出现变化有关。这一研究成果显示，地球磁场会受到气候变化的长期影响。

杨学祥则认为，作为“地球之盾”，地球磁场本身异常是引起气候、地质等变化的重要因素。

“地磁强弱等变化是极端气候屡屡发生的影响因素之一。地球磁场保护地球大气和地表生物不受太阳风的袭击，地球磁场强度减弱或消失，地球大气将被太阳风刮走，地表生物将面临类似历史上出现过的大灭绝。”杨学祥指出，计算机模型的计算结果表明，如果两磁极的强度继续减弱，则来自太阳的粒子流便可能使高达40%的地球高纬度臭氧被破坏，每次的破坏时间将长达数月至一年之久，这也为南北极海冰融化提供了合理的解释。

杨学祥认为，如果地磁反转真的发生，在期间产生一个地磁强度为零的时期，则地球有可能由于失去地磁的保护，发生新一轮的生物演进。“但零磁场与生物演进确切的关系是怎样的，目前证据并不充分，任何一个实验室都无法完成如此巨大规模的模拟实验。”

不过，薛炳森认为，太阳风等空间天气中强带电粒子，主要对太空的卫星造成不利影响，对地球上的生物影响有限。即便地球磁场真的发生崩塌或反转，厚厚的大气层下，太阳风的带电粒子产生的弱磁场对人类影响也有限，“比如在南极和北极，地磁场对地球的保护几乎为零，太阳风直接冲击地球大气层，也只会产生极光景象。”（原标题《地球磁极真的要颠倒？》）

《中国科学报》 (2014-03-28第13版科普周刊)

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2014/3/290818.shtm

http://roll.sohu.com/20140328/n397363932.shtml

http://tech.gmw.cn/2014-03/28/content_10826693.htm

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http://www.qstheory.cn/kj/kxpj/201403/t20140328_334808.htm

http://tech.ifeng.com/discovery/detail_2014_03/28/35231283_0.shtml