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地磁场的两极反转：地球内磁尾绕地球旋转产生磁场
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地磁场的两极反转：地球内磁尾绕地球旋转产生磁场
吉林大学：杨学祥，杨冬红
1998年我们发现，太阳风压缩地球磁层产生背光的外磁尾和内磁尾，是环绕地球各圈层旋转的，包括地壳、地幔和固体内核。内磁尾和外磁尾中的带电粒子绕核旋转、绕地壳地幔旋转，形成地磁场。这一发现发表在参考文献的论文和论著中。内磁尾是当时的定义，现在看来，称为“外核尾”比较准确。
在太阳磁场的挤压下，伴随地球自转，外核中的内磁尾环绕内核旋转，内磁尾（外核尾）里的多余电子环绕内核旋转而产生地球磁场。或许与地球外磁层类似，电子携带的负电荷与质子携带的正电荷分布在内磁尾（外核尾）的不同高度。最合理的解释是，内磁尾（外核尾）集中了一种电荷，电子携带的负电荷或质子携带的正电荷，电荷极性的改变导致地磁极性倒转。
相关报道
地磁场的两极反转，曾引发物种大灭绝？
来源：科技日报2021-03-18 09:33
我们的地球能够拥有温润的大气，很大程度仰赖于地磁场的保护。而在地质历史中，地磁场的两极会不断反转，引发磁场强度阶段性消减。最近发表在《科学》杂志上的一项研究推测：在地磁场的翻转过程中，由于磁场变弱，大气中的臭氧会减少，导致全球气候剧变，推动物种灭绝。
多次出现的地磁反转
地磁场的两极反转在地质史上并不罕见。1906年，法国地球物理学家伯纳德·布容首次发现，法国熔岩的磁化方向与当前地磁场的方向相反，推测地磁场可能发生过逆转。
地磁场在地球形成早期就已存在。在地磁场形成之后的漫长地质年代里，科学家发现，每隔10—100万年便会发生一次完全的地磁南北极倒转。
在发生极性倒转的过程中，地磁场强度均存在变弱的现象。距今最近的一次长时间地磁场倒转发生在约78万年前，持续了近2万年，被称为布容尼斯-松山倒转。
并非所有的地磁倒转都会持续上万年。有时其方向虽然会发生很大的变化，甚至达到180度的完全转向，类似极性倒转那样，但其持续时间较短，这类变化称为地磁漂移（可理解为短时间内的两次倒转）。
古树见证4万年前磁场反转
在本次研究中，科学家们利用新西兰湿地中留存的、生长于大约4.2万年前的古贝壳杉树中记录的相关信息，首次将地磁场倒转与当时大规模的环境变化直接联系起来，认为地球磁极曾发生了短暂倒转，并在地球上引发了一系列的环境危机，可能造成了当时澳大利亚长毛猛犸象、巨型袋熊等一系列巨型哺乳动物的灭绝。
通过对四棵古树化石横截面进行碳-14同位素分析，并结合年轮数据，研究人员确认地球磁极曾在4.1万年前发生过短暂倒转，即Laschamps磁极漂移事件，同时获得了一份能够精确测定年代，且具有连续1700年变化的大气放射性碳-14记录。
这一记录揭示了碳-14在Laschamps磁极漂移事件之前及磁极逆转期间的主要变化。
研究人员认为，地磁场保护着地球免受来自外太空的宇宙射线（高能带电粒子流，如来自太阳的带电粒子流）的攻击，随着地球磁场的减弱，越来越多的宇宙射线进入大气层便会产生更多的碳-14，这些碳-14会被吸收到树木组织中并被保留下来，因此碳-14的变化反映着当时地磁场的变化。
研究小组发现，最强烈的地磁场减弱并非发生在实际的磁极逆转期间，而是在发生磁极逆转之前的几百年里。在实际磁极逆转期间，地磁场的强度约为今天的28%。而在逆转之前的过渡期，磁场缩减到只有目前的6%左右，研究人员将这一现象称为“亚当斯过渡性地磁事件”。
地磁场减弱会导致大气中臭氧含量减少。研究人员模拟了减弱的磁场如何改变大气模式。计算机分析表明，进入大气的带电粒子等宇宙射线的增多，会增加大气中氢和氮氧化物的产生，这些分子往往会消耗臭氧，这将降低平流层臭氧保护地球居民免受紫外线辐射的能力。
臭氧层减少的另一个可能的证据是，在大约4.2万至4万年前，人类开始越来越多地使用洞穴，并且在洞穴壁画中留下了越来越多的红赭石手印，赭石被认为是一种古老的防晒霜，这可能是人类躲避越来越强烈的紫外线照射的方式。
类似悲剧会重演吗
最近200年来，地磁强度一直在减弱，现今地磁场的强度较1840年已经下降了10%，平均每百年下降5%。2013年底，欧洲太空局发射了新一代地磁卫星Swarm，观测发现地磁强度正在加速下降，速度为以前测算的10倍。
科学家发现，地磁北极的位置也在发生着变化。1831年首次实地确认时，地磁北极位于加拿大近北极地区的布西亚半岛，如今地磁北极已穿过国际日期变更线，进入东半球，并向俄罗斯西伯利亚地区方向继续移动。这是否预示着新一轮地磁倒转即将发生？
虽然地质历史时期发生地磁倒转时大都会伴随地磁场强度下降，以及磁极的漂移，但这并不一定都会最终导致地磁倒转，也可能是地磁场正常的波动。由于地磁场变化的极度不规律性，科学家并不能给出准确的预言。
并且，在地磁场形成之后的漫长地质年代里，地球磁极倒转发生了上万次，这些磁极逆转事件是否对当时的地球环境产生了巨大影响，还需要科学家不断探索。（丁宝明）
https://tech.gmw.cn/2021-03/18/content_34695988.htm
https://mini.yyrtv.com/r/6974b556ea8eb4da.html?from=sgxxl&page=info&usid=%u5C40%u57DF%u7F51EaqL
太阳风挤压液态外核形成地球磁场：被忽视的发现
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太阳风挤压液态外核形成地球磁场：被忽视的发现
吉林大学：杨学祥，杨冬红
关键词：太阳风；内磁尾； 外磁尾； 外核尾； 地磁场； 背光旋转
太阳风压缩地球外磁层形成外磁尾
据网上资料料，地磁场是指地球内部存在的天然磁性现象。地球可视为一个磁偶极（magnetic dipole），其中一极位在地理北极附近，另一极位在地理南极附近。通过这两个磁极的假想直线（磁轴）与地球的自转轴大约成11.3度的倾斜。地球的磁场向太空伸出数万公里形成地球磁圈的外磁尾。地球磁圈对地球而言有屏障太阳风所挟带的带电粒子的作用。地球磁圈在白昼区(向日面)受到带电粒子的力影响而被挤压，在地球黑夜区（背日面）则向外伸出。值得关注的是，地球磁圈的外磁尾是绕地旋转的。
图1 磁层结构示意图：太阳风压缩地球外磁层形成外磁尾（网上图片）
地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分。基本磁场是地磁场的主要部分，起源于固体地球内部，比较稳定，属于静磁场部分。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要起源于固体地球外部，相对比较微弱。地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型。
当地磁场受到太阳黑子活动而发生强烈扰动时，远距离通讯将受到严重影响，甚至中断。假如没有地磁场，从太阳发出的强大的带电粒子流（通常叫太阳风），就不会受到地磁场的作用发生偏转，而是直射地球。在这种高能粒子的轰击下，地球的大气成份可能不是现在的样子，生命将无法存在。所以地磁场这顶“保护伞”对我们来说至关重要。
太阳风压缩地球内磁层形成内磁尾
黄赤交角是地球公转轨道所在的平面即黄道面与地球赤道面的交角。在每年6月20日左右的夏至（地球公转轨道远日点），太阳光直射北回归线22.4度，北极为极昼，南极为极夜，光压和太阳风导致地壳和地幔向南半球移动，迫使内核向北半球移动；每年12月20日左右的冬至（地球公转轨道近日点），太阳光直射南回归线22.4度，北极为极夜，南极为极昼，光压和太阳风导致地壳和地幔向北半球移动，迫使内核向南半球移动。这是地球内核南北震荡一年周期形成的原因。
由于太阳系轨道周期和地球轨道周期，地球内核振动具有1天、1月、1年、18.6年、29.8年周期，还有2、4、10、40、50000万年的南北方向振动周期以及1万多年和2亿多年的地核向心和离心振动周期。太阳风和太阳斥力是地核定向振动、大陆南北漂移和地球南北反对称分布的动力。
图2 太阳风和光压挤压地壳地幔和地球内磁层形成地球内磁尾（外核尾）以及相对地核、地壳和地幔背光旋转，摩擦生热维持磁场能量消耗。
地磁场的起源：地球内磁尾和外磁尾中电子绕地旋转
地球存在磁场的原因还不为人所知，普遍认为是由地核内液态铁的流动引起的。最具代表性的假说是“发电机理论”。1945年，美国物理学家埃尔萨塞根据磁流体发电机的原理，认为当液态的外地核在最初的微弱磁场中运动，像磁流体发电机一样产生电流，电流的磁场又使原来的弱磁场增强，这样外地核物质与磁场相互作用，使原来的弱磁场不断加强。由于摩擦生热的消耗，磁场增加到一定程度就稳定下来，形成了现在的地磁场。
还有一种假说认为铁磁质在770℃（居里温度）的高温中磁性会完全消失。在地层深处的高温状态下，铁会达到并超过自身的熔点呈现液态，决不会形成地球磁场。而应用“磁现象的电本质”来做解释，认为按照物理学研究的结果，高温、高压中的物质，其原子的核外电子会被加速而向外逃逸。所以，地核在6000K的高温和360万个大气压的环境中会有大量的电子逃逸出来，地幔间会形成负电层。按照麦克斯韦的电磁理论：电动生磁，磁动生电。所以，要形成地球南北极式的磁场，必然需要形成旋转的电场，而地球自转必然会造成地幔负电层旋转，即旋转的负电场，磁场由此而生。
这一假说的致命弱点是，地幔间形成负电层相对于地壳和地幔是固定不动的，并没有旋转，因此不能形成地球磁场。
1998年我们发现，太阳风压缩地球磁层产生背光的外磁尾和内磁尾，是环绕地球各圈层旋转的，包括地壳、地幔和固体内核。内磁尾和外磁尾中的带电粒子绕核旋转、绕地壳地幔旋转，形成地磁场。这一发现发表在参考文献的论文和论著中。内磁尾是当时的定义，现在看来，称为“外核尾”比较准确。
在太阳磁场的挤压下，伴随地球自转，外核中的内磁尾环绕内核旋转，内磁尾（外核尾）里的多余电子环绕内核旋转而产生地球磁场。或许与地球外磁层类似，电子携带的负电荷与质子携带的正电荷分布在内磁尾（外核尾）的不同高度。最合理的解释是，内磁尾（外核尾）集中了一种电荷，电子携带的负电荷或质子携带的正电荷，电荷极性的改变导致地磁极性倒转。
参考文献
1． 杨学祥, 陈殿友, 宋秀环. 太阳风、地球磁层与臭氧层空洞. 科学（中文版）, 1999, （5）：58~59
2．杨学祥,陈殿友. 地球差异旋转动力学. 长春：吉林大学出版社. 1998.79,88,103,113,155,174,196
3. Yang, Xuexiang, Chen Dianyou, Gao Yanwei, Su Hongliang and Yang Xiaoying, et al, Geophysical and Chemical. Evidence in the Depletion of Ozone. J. Geosci. Res. NE Asia, 1999, 2 (2): 121~133.
4.杨学祥,等. 对地球质心偏移及板块驱动力的讨论. 长春地质学院学报.1993,23(4):470-475.
5. 杨学祥. 臭氧洞漏能效应及其形成原因. 见: 中国地球物理学会年刊1999, 合肥：安徽技术出版社, 1999, 191
http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-996823.html
https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1295007.html
https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1317774.html
NASA发现南大西洋凹痕，可能撕裂地球磁场，将造成什么后果？
在近几百年人类活动的影响下，地球未来的发展前景似乎并不光明，以至于一些科学家早就提出了移民到其他星球生存的想法。近年来，随着人类航天科技的不断提高，星际移民的普及再次引起了公众的关注。如果未来人类真的要进行星际移民，那么哪个星球会是人类最有可能的目的地呢？
应该是火星，首先是因为它和地球有很多相似的条件，其次是因为它是所有候选行星中距离地球最近的行星。但是，很多科学家认为，人类要想移民火星，改造火星至少需要两三百年的时间，因为火星上没有合适的大气层、液态水和磁场。一些科学家认为保护我们的星球比改造火星更可行。
那么我们的星球目前正在经历哪些问题呢？除了全球变暖，美国宇航局前段时间发布了最新的研究报告，称地球磁场部分下沉。如果凹陷继续发展，最终会导致地磁空洞。那么是什么导致了地磁低压呢？如果有地磁洞，对地球上的生命会有什么影响？
地球磁场的成因是什么？
据记载，历史上第一个提出地球磁场概念的人是英国科学家吉尔伯特，他在1600年提出了“地球是大磁铁”的说法，当时认为磁铁的两极和地理的两极是重合的。到了19世纪末，“数学王子”高斯花了大量时间研究地球磁场，最终写出了一本名为《地磁力的绝对强度》的书。
高斯在书中从数学上证明了地磁场的存在，并用数学理论分析了地磁场的起源。最后，他得出结论，地磁场的起源在地球内部。之后，也有科学家尝试研究地磁场的起源，但大多数人已经掌握了地磁场的变化规律和分布，对地磁场的起源有不同的看法。目前科学界关于地磁场起源的假说有两种，一种是基于现有的物理理论，另一种是开辟新的特殊规律。
第一个假说被更多的科学家所认可，因为它可以用既定的物理理论来解释，比如“旋转电荷假说”。这个假说认为，地球内部和外部存在等量的相反电荷，相反电荷分别位于地球内部或表面，当地球自转时，电荷会随之运动。根据电流的磁效应，运动电荷形成电流，电流会在周围空间形成磁场。
这个说法听起来很有道理，也有基础物理理论的支持。但是，它还有一个难以解释的地方，那就是地球内部和表面的磁场是如何分离的？另外，要形成现在的强地磁场，需要地球内部和表面有足够的电荷，但实际上地球并没有多少电荷。
除了这个假说之外，科学家还有其他假说，但都没有被广泛接受。因此，地磁场是如何起源的问题需要科学家们在未来继续探索。
是什么导致了南大西洋磁场的减弱？
根据NASA发布的研究声明，他们探测到的地磁数据显示，大西洋南部的地磁场明显低迷，这种现象可能会继续向西移动，扩大范围。据美国宇航局科学家介绍，目前，洼地区域已经被迅速划分为两个区域，这意味着地球磁场将被打破。一旦裂缝出现，就会产生磁场真空区，对地球上的生物不利。
那么是什么导致磁场凹陷呢？NASA科学家表示，他们通过数据分析发现，在过去的150年里，南大西洋地区的磁场一直在减弱，目前的磁场强度至少比150年前降低了10%左右。不仅如此，他们还发现，地磁场的逆转通常是从磁场凹痕开始的，换句话说，这次出现的磁场凹痕可能是地磁场逆转的预兆。
地磁场反转是指地磁南极和地磁北极的反转。根据对地球历史的研究，曾经发生过多次磁极倒转。目前地磁南极指向地理北极，地磁北极指向地理南极。正常情况下，地磁南极应该指向地理北极，这说明地球磁场发生了逆转。
科学家是如何发现磁极反转的？
相信很多人会质疑磁极反转的现象，因为人类文明形成的时间也不过几万年，我们又能通过什么方法了解到过去地球磁场的情况呢？还真的有办法，只要地球上发生过的大规模事件，基本都会留下痕迹，科学家就是通过研究岩石、熔岩、化石等沉积物对地球过去的磁场有所了解。据研究，距离我们最近一次磁极反转发生在几百万年前，科学家是通过研究熔岩流获得该发现的。
来自法国和日本的物理学家联合多年的合作，最终在熔岩流中找到了地磁反转的证据。所谓的熔岩流，指的是熔岩凝固后形成的沉积物，研究发现它的流动方向、流量大小等信息可能蕴藏着地磁场的信息。换而言之，熔岩流相当于地磁方向的指示器，因此科学家可以通过考察不同地区的熔岩流情况来判断地磁极是否发生过反转，大概什么时候发生过反转。
早在２０世纪初的时候，法国科学家布吕内就提出了地球磁极反转的说法，并且认为在大约７０万年前地磁极就发生过反转。到了１９２８年，日本地质学家松山基范通过大量的研究也得出相同的结果。二战后，古地磁研究在地理学界得到了快速发展，越来越多磁极反转的证据被发现了。除了研究熔岩流之外，还有些科学家研究有磁性的岩石。
这些岩石是在岩浆冷却后形成的，它们由于长期受到地磁场的影响，使得自身逐渐带有磁性，而且它们的磁场方向和当时的地磁方向是相同的。后来有科学家在南美地区发现了磁场方向与现在的地磁方向相反的岩石，这足以说明地磁场发生过反转，因为岩石一旦带有磁性就很难消失，当地磁场反转后，正常情况下岩石的位置也会发生变动，但地下岩石被卡得死死的。
为什么磁极会发生倒转？
和地球磁场起源的问题一样，地磁极反转的原因至今也未有定论，但目前存在两种猜想，这两种猜想分别认为磁极反转是偶然现象和必然现象。支持“地磁反转是必然现象”的人认为，磁极反转的出现虽然没有周期性，但总会出现。这一猜想基于另一个地磁场起源的说法，即“地球内部的铁液形成循环流动，从而产生磁场”。
在这种猜想下，磁极反转发生的原因是地球内部的铁液循环出现了衍生支路，导致一部分循环出现在地表层面，与地球内部的循环形成了相反的回路。随着时间的推移，地表的反回路逐渐增强，抵消内部回路的影响，从而导致磁场开始发生反转。这个过程通常持续３万年到１００万年不等。另一类猜想则认为地磁极反转的发生不可预测，也不可溯源，因为它是偶然事件。
磁场凹痕会对地球造成什么样的影响？
和大气层相比，地球磁场的存在更容易被忽略，因为它是无形的。但我们的日常生活以及自然生物的生存都离不开地球磁场的作用，只要地球磁场出现问题，地面上的生命也会受到严重影响。首先对于人类和自然生物来说，地磁场相当于一个庞大的保护罩，它在一定程度上阻挡宇宙辐射，尤其是太阳辐射。
其次，有研究表明，地球之所以拥有完整的大气层，是因为地球磁场的存在。如果地磁场的作用大大减弱或完全消失，那么地球大气层会在外太空因素的作用下而消散，届时地球将在很快的时间内变成一颗寸草不生的星球。再者，人类在地球上搭建的通讯系统、定位系统等都要依靠地磁场，地磁场出现异常将导致通讯定位系统陷入瘫痪。
在自然界，有不少动物靠地球磁场进行定位，例如大多数鸟类。研究表明，候鸟之所以能够季节变化前跨越几千公里的距离去到另一个地方，是因为地磁场在默默地提供方向指导。此外，有不少海洋生物也需要通过地磁场来辨别方向，否则很容易出现搁浅现象。总而言之，无论是对人类还是对自然生物，地磁场的完整十分重要。
那么面对南大西洋磁场凹陷的情况，人类是否有应对措施呢？很遗憾，人类的科技水平还没能达到改变地球磁场的程度。从另一方面来看，南大西洋磁场凹陷可能是地磁极反转的预兆，毕竟地球上一次发生磁极反转应该在７０万年前。这样看来，威胁人类存在的不只有气候变化和病毒侵袭，地磁极的反转也是一大威胁。
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