冰期结束的前兆：地球磁场即将反转

                                      杨学祥，杨冬红

关键提示: 围绕在我们地球周围的磁场就像一个无形的力场，通过使带电粒子偏转散开，保护地球生命免受有害的太阳辐射。在地球的历史中发生过至少数百次的磁场反转——南磁极和北磁极相互易位。那么，下一次磁场反转将在什么时候发生，又会对地球生命带来什么样的影响呢？

古地磁记录表明，在前寒武纪末至中寒武世的寒冷期，地磁场以负极性为主，在中寒武世至中泥盆世温暖期，地磁场以正极性为主，在中泥盆世之二叠纪末寒冷期，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。地磁反向大周期和气候变化大周期有很好的对应关系。

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。

综上所述，近百年来的全球变暖是地磁减弱的主要原因，伴随全球气候进入温暖期，地球磁场的极性反转不可避免，类似中生代的全球气候温暖期和地磁正相期正在缓慢而有序地到来，期间将有目前地磁反向时期中频繁发生的地磁正相事件：反向事件发生意味着气候变冷，正相事件发生意味着气候变暖。

地球磁场即将反转？磁场护盾削弱高剂量辐射将照射地球表面

2017-02-06 09:17:29 稿源：新浪科技科学探索

北京时间2月6日消息，据国外媒体报道，围绕在我们地球周围的磁场就像一个无形的力场，通过使带电粒子偏转散开，保护地球生命免受有害的太阳辐射。不过，这个磁场并非一成不变，而是一直处于不断的变化之中，事实上，在地球的历史中发生过至少数百次的磁场反转——南磁极和北磁极相互易位。那么，下一次磁场反转将在什么时候发生，又会对地球生命带来什么样的影响呢？

围绕着地球的巨大磁场随着地球南、北磁极的变化和太阳风活动而改变形状

磁场在反转过程中并不会消失为零，而可能会变成更微弱和更复杂的形式。磁场强度有可能会减少到目前的十分之一，并且磁极都分布在赤道上，甚至可能同时存在多个南磁极和北磁极。平均而言，地球磁场的反转每隔一百万年才会发生几次。然而，地磁反转之间的间隔非常不规律，有时甚至会达到数千万年时间。

有时候还会出现短暂且不完整的地磁反转，此时地磁极会远离地理上的两极——甚至可能穿过赤道——然后再回到原来的位置。上一次完全的地磁反转发生在约78万年前，被称为布容尼斯-松山反转（Brunhes-Matuyama reversal）。在大约41000年前还发生了一次短暂的地磁反转，称为拉尚事件（Laschampevent）。该事件持续了将近1000年，其中磁极真正改变的时间大约有250年。

断电还是大灭绝？

地磁反转期间的磁场强度变化会削弱磁场的护盾效果，使高剂量的辐射照射到地球表面。如果这一场景发生在今天，经过地球的带电粒子将会导致卫星、飞行器和地面电子设施面临失灵风险。当太阳发出的带电粒子反常地大规模冲击地球磁场时，会引起磁场强度和方向发生剧烈的不规则变化，这一现象称为磁暴。当磁场的保护作用被削弱时，磁暴的发生也就在预料之中。

2003年，所谓的“万圣节磁暴”（Halloweenstorm）导致瑞典的电网断电，航班需要重新规划飞行路线，以避免通讯失灵和辐射风险，卫星和通讯系统也陷入混乱。不过，相比近期历史上发生的其他磁暴，这场磁暴的规模要小得多。比如，1859年的卡灵顿事件（Carringtonevent），又称“1859年太阳风暴”，当时世界许多地方都看见了极光，甚至远至加勒比地区。

我们无法完全估计，这样大规模的磁暴如果发生在今天，会对电力设施造成什么样的后果。当然，任何时候电力、暖气、空调、全球定位系统或互联网的中断都会带来严重影响；大面积的断电会导致经济崩溃，一天就可能造成数百亿美元的损失。

对于地球生命和人类，地磁反转的直接影响也很难预测，因为在上一次地磁完全反转发生时，人类还没有出现。一些研究试图将地球历史上的地磁反转与生物大灭绝联系起来，暗示一些短期或持续的火山活动可能是由相同的原因导致的。然而，没有证据表明灾难性的火山活动即将来临，如果地磁反转真的很快到来的话，我们更大可能应该只需要应对电磁方面的冲击。

科学家已经知道，一些动物具有某些形式的磁场感知能力，使它们能够发觉地球磁场的变化。它们还会利用这一能力在长距离迁徙中进行导航。但是，我们并不知道地磁反转会对这些物种带来怎样的影响。可以肯定的是，早期人类在拉尚事件中存活了下来，而地球生命经历了地质史上数百次地磁完全反转之后也一直延续至今。

地磁反转能否预测？

简单来说，我们即将迎来的是一次“拖延”的完全反转，地球磁场目前正以每世纪5%的速率减弱，意味着要经过2000年左右才会完全反转。不过，要想确定准确的日期是十分困难的。

地球磁场来源于地核外核中铁镍流体的缓慢流动。与大气层和海洋一样，铁镍流体的活动也是由物理学定律支配的，我们应该能追踪这种活动，从而预测出地核的变化，就像我们通过观测大气和海洋做出天气预报一样。某次地磁反转或许可以和地核中某次特定形式的变动联系起来。在一番激烈的活动之后，地核和磁场又会重新归于平静。

另一方面，尽管我们生活在地球表面，可以直接观测大气层，但准确预测几天之后的天气变化依然存在很大的困难。相比之下，预测地核变化的难度就比预测天气大得多。我们还无法到达岩石层以下3000公里处的地核，只能通过有限和间接的方法进行观测。科学家已经知道地核的物质组成，也知道地核物质以流体存在。由地面观测站和轨道卫星组成的全球网络也会对地磁场进行实时监测，为科学家提供液态地核移动的线索。

近期对地核中“射流”（jet-stream）的研究凸显了人类在测量和分析地核动态方面不断增强的能力。借助数值模拟和实验室工作，科学家正在对地球内部的流体动态进行更进一步的研究，对地核和地磁关系的了解也不断深入。或许在不远的未来，我们就能更准确地预测出地磁场反转的时间和强度。

http://www.cnbeta.com/articles/582291.htm

吉大杨学祥教授释疑：地球磁极是否真的要颠倒

2014年03月28日 08:31来源：中国科学报

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？》）

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-780208.html

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

大冰期与地磁反转的关系

古地磁记录表明，在前寒武纪末至中寒武世的寒冷期，地磁场以负极性为主，在中寒武世至中泥盆世温暖期，地磁场以正极性为主，在中泥盆世之二叠纪末寒冷期，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。地磁反向大周期和气候变化大周期有很好的对应关系。

根据地质和气象等综合数据，表1给出地球自转周期、地质旋回、气候变化和地磁变化的对应规律，与地球自转变化曲线和火山活动变化曲线相对应。特别值得指出的是，地壳相对地核自转减慢对应地磁反向，地壳相对地核自转加快对应地磁正向，这一现象的发现为地球各圈层差异旋转影响地磁反向提供了证据。

表1  地球自转周期、地质旋回和地磁极性倒转^{[1, 2, 16, 21]}

Table 1  Earth’s rotation periods, geological cyclesand geomagnetic polarity reverse ^{[1, 2, 16, 21]}

第四纪冰期与地磁反向事件的对应关系

近年来全球强震频发，林中斌认为发生这一系列灾难的根本原因是由于地磁引起的。二千年以来全球磁场持续减弱，而最近150多年地磁强度下降了10%~15％。南大西洋出现地磁异常区，其磁场减弱达35％，地球磁极弱化，处于“磁极翻转”的雏形阶段，这可能是地球发生许多灾变和异常现象的深层原因。

地球的主磁场会周期性地逆转方向。这种极性颠倒在地球的历史上间隔不规律地发生过几百次，最近一次大约在78万年前。美国科学家通过研究古代火山岩发现，浅核磁场（shallow core field）可能影响主磁场是否发生逆转及其方式，当主磁场削弱时，它就变得极为重要。证据表明，目前正在接近这样的过渡状态，因为地球主磁场处于相对较弱，且正在快速减弱的阶段。

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^[12]，地磁场强度亦有明显的2、4、10万年变化周期^[14]。这表明，天文条件、冷暖变化与地磁变化相关。

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；如果形成较大规模的全球变暖，但未结束第四纪冰期，也能形成地磁翻转；如果全球变暖规模小于75万年那一次，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^[1]。全球变暖可能是地磁减弱的主要原因。

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，轰击地表的宇宙射线增强，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。臭氧层和电离层吸收太阳紫外线、X射线和γ射线，同时也吸收太阳辐射能的9%。这是地磁减弱、臭氧含量降低、地表增温和生物灭绝一一对应的原因。有证据表明，地磁减弱时期就是火山活动强烈时期，并发生相应的生物灭绝事件。

近来频繁发生的地震加强了人们对地震产生原因的认识，地球内部积聚的能量急剧释放是地震产生的根本原因。当地球各差异旋转的圈层发生角动量交换时，地核和地幔的转动速度差异缩小，电流场环绕减慢，磁场强度变小，动能也变小。由能量守恒原理，减少的动能转化为等量的热能，热能积累在地核与地幔的边界造成热膨胀，热膨胀使地核、地幔边界的热物质涌动，往地表上升，称为热幔柱，在地壳薄弱的地方喷涌而出，就形成了众所周知的火山爆发和地震活动，同时推动地壳圈层不同区域的构造运动，因此地震火山活动加剧和地磁减弱同时发生。

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，如果迅速减弱，太阳的粒子流会更多地进入地球大气层后消耗了两极的臭氧，并与臭氧结合成水，进而破坏极地臭氧层。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。整个地球板块就像跷跷板一样，促使地震发生，并使地震带集中在海陆交界的地区。

结论

综上所述，近百年来的全球变暖是地磁减弱的主要原因，伴随全球气候进入温暖期，地球磁场的极性反转不可避免，类似中生代的全球气候温暖期和地磁正相期正在缓慢而有序地到来，期间将有目前地磁反向时期中频繁发生的地磁正相事件：反向事件发生意味着气候变冷，正相事件发生意味着气候变暖。

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