地球的變化(二) - 地球磁場
前言
在上篇文章《地球的變化(一)》中我們瞭解到，最近幾十年，以地震、火山、洪水、乾旱、龍捲風等為代表的自然災害呈現出指數增長的趨勢。連鎖反應、蝴蝶效應、指數增長，預示著未來極有可能發生大災難。這種地質和大氣環境的變化，從一定程度上也說明地球內部活動在加劇。由於地球內部深達數千公里，在目前來講，直接測量和觀察地球深部是不可能的。下面我們看一下反應地球內部活動的地球磁場都有怎樣的變化。
目錄
1、磁極移動 (Magnetic Pole Movement)
2、磁場翻轉 (Magnetic Field Reversal)
3、地磁抽搐 (Geomagnetic Jerks)
4、磁層變化 (Magnetosphere Change)
5、地磁來源 (Origin of Earth's Magnetic Field)
6、小結 (A Summary)
正文
1、磁極移動 (Magnetic Pole Movement)
磁極與地極 (Magnetic Pole & Geographic Pole)
地球的磁極(Magnetic Pole)與地極(Geographic Pole)並不重合，之間有11.5度的夾角[01]。
地理北極(North Geographic Pole)是北緯90度的點，在大多數地圖中都將此標注為北極，非常接近地球旋轉軸(rotation axis)穿過地表的點[02]。
北磁極是地球表面上磁場垂直向下穿過的點，現在的位置在北極加拿大(Canadian Arctic) [03]。
在北半球磁場垂直向下，南半球磁場向上。這意味著在加拿大北極(Canadian Arctic)的磁極實際上是「南極(south magnetic pole)」。然而，由於長期習慣和它的地理位置，就被稱作北磁極(North Magnetic Pole)了[04]。
磁極移動 (Magnetic Pole Movement)
北磁極不斷地沿一個沒有規律的路徑來回移動，每天高達80公里或更多。磁極點的記錄位置，實際上是其每日來回移動的平均值，這種遊蕩(wander)是由磁場的波動造成的。因此，某個年份的北磁極位置其實是一個平均值，認識到這一點很重要[05]。
北磁極位置的第一次記錄是在1831年，羅斯爵士和他的船隊在尋找冰封的(ice-bound)西北航道時發現並記錄下來的。俄勒岡州立大學的古磁學家(paleomagnetist) Joe Stoner說，從1831年初次發現到2001年最新測定，在整個20世紀裡，北磁極(NMP)移動了驚人的1100公里[06]。
從1970年左右開始，北磁極移動速度加快，現在超過了40公里/年。以目前的速度和方向，約在50年內就會移動到西伯利亞(Siberia) [05]。從20世紀70年代開始到2005年，在阿拉斯加，冬季平均氣溫上升5度，夏季平均氣溫上升10度，年平均氣溫升高達7度。沒有其它地方正在經歷比阿拉斯加更驚人的升溫變化[07] 。
1909年磁南極(South Magnetic Pole)第一次確定位置，當時在南極大陸上[08]，由於每年移動10-15公里，現在已經移動到南部海洋裡了[09]。
2、磁場逆轉 (Magnetic Field Reversal)
地球磁場沿著旋轉軸有一個近似的偶極子形狀，像一個條形磁鐵，有南北磁極，這是正常情況。但有時磁場會轉換極性，北磁極與南磁極逆轉，磁場變成相反的狀態，這個過程有好幾個名字，其中「磁場逆轉(magnetic field reversal)」、「極性轉變(polarity transition)」是最常用的[10]。
基於熱剩磁(TRM, Thermoremnant magnetism)方法[11]，研究人員已經建立了過去10,000年內北磁極在地圖上的位置，在過去的2000年內，北磁極僅僅是在北極附近徘徊。然而，北磁極所做的不僅僅是數千英里徘徊旋轉。過去有許多次南北磁極完全逆轉，熔岩和火山灰沉積物通常包含這些逆轉的熱剩磁性記錄(thermoremnant magnetic records)。
證據表明，過去3.3億年內發生了超過400多次逆轉，平均約70萬年一次。然而逆轉時間不固定，從少於10萬年到數千萬年不等。在最近的地質時代裡，平均每20萬年出現一次逆轉，但最後一次逆轉發生在78萬年前[10] 。對人類而言，逆轉不會很快發生，因為得需要1000-8000年才能完成一次逆轉。地球磁場的減弱被認作是逆轉臨近，在過去的250年裡，磁場已逐步弱化，這意味著未來可能發生逆轉[11]。儘管這種可能性不容忽視，但許多研究者相信這種弱化不會持續反而會強化，因為過去發生過多次[10]。
3、地磁抽搐 (Geomagnetic Jerks)
磁偏角(Magnetic declination)
地球表面很多地方，指南針僅僅大致指向北方。這是因為地球的磁場形狀複雜，僅在少數地方指南針準確指向北方[12]。指南針與磁場的水平份量(horizontal component)，在磁北(magnetic north)的方向上排成一線。真北(true north)是從某處指向地理北極(north geographic pole)的方向[13]。
磁北和真北之間的夾角稱為磁偏角(magnetic declination)。許多人認為指南針指向北磁極(North Magnetic Pole)，這是不對的。如果你跟隨指南針行進，最終可以到達北磁極，但走的不是最直接的路線[13]。
磁場的不斷變化導致磁偏角也隨時間改變，有的地方磁偏角的變化非常大[13]。美國國家氣象局地球物理數據中心(NOAA National Geophysical Data Center)描繪了1590 -2010年的磁偏角曲線[14]，並做成動畫(Movement of Magnetic Declination)[15]，非常直觀。
地磁抽搐 (Geomagnetic Jerks)
從1900-2008年英國Lerwick、Eskdalemuir和Greenwich-Abinger-Hartland天文臺的磁偏角變化率曲線圖中可看出，在長期變化中有幾次趨勢變化，特別是在1925、1969、1978 和1992年。這些突然的變化被稱為抽搐(jerks)或脈動(impulses)，目前原因不明，當然也無法預測。但可以發現一個趨勢：抽搐的頻率加快，特別是1970年之後[16]。
4、磁層變化 (Magnetosphere Change)
磁層(Magnetosphere)
磁層是一個天體周圍受其磁場控制的空間範圍。地球磁層是來自太陽風和地球電離層的電漿受地球磁場影響而形成的腔體。與太陽風的相互作用使得地球的偶極磁場變形，白天的那面(朝向太陽)，磁力線被壓縮，而夜晚的那面(背向太陽)，則被拉伸形成一個長長的像彗星一樣的尾部。朝向太陽的那面，磁層向外延伸約10 個地球半徑的距離(在靜態下) ；而在背向太陽那面，磁層則延伸有幾百個地球半徑的距離。磁層包含各種大型區域，其組成、能量、電漿體密度均有所不同。佔據這些區域的電漿體來源有兩個：太陽風和地球電離層。這兩個來源的相對貢獻，因地磁活動水平的不同而異[17]。
地球磁層是一個高度動態的結構，隨著太陽風動態壓力(dynamic pressure)和星際磁場(interplanetary magnetic field, IMF)方向的變化而急劇變化。從太陽風中吸收的一些能量直接驅使產生各種磁層變化，而一些存貯在磁層尾部(magnetotail)的能量，則隨後在亞暴(substorms)中釋放。這種能量從太陽風轉移到磁層的主要方式，稱為「重聯(reconnection)」 [17]。
磁層變化 (Magnetosphere Change)
日本國家情報與通信技術研究所 (NICT)通過使用超級計算機實現了對磁層的實時模擬，輸入參數是由ACE衛星例行觀測獲得的實時太陽風和星際磁場數據。地球磁層受太陽風的影響呈週期性變化，目前尚未發現有異常[18]。[註：關於此部分將在《太陽的變化》中詳細探討]
5、地磁來源 (Origin of Earth's Magnetic Field)
地球磁場必須不斷地補充能量，否則它與太陽風、地球物質的相互作用會導致它衰退並最終消失。因此，在地球中心或接近中心的地方必須存在一個產生地磁場和能量源的機制[19]。
有很多假定的機制來解釋磁場是如何產生的，但目前認為可信的只有一個，即地球類似一個發電機，將機械能轉換為電能。要瞭解一個發電機對地球而言是如何工作的，我們需要瞭解地球內部的構造。地球是由多層組成：薄薄的地殼(thin outer crust)、硅酸鹽地幔(silicate mantle)、外核(outer core)和內核(inner core)。溫度和壓力在地球內部隨深度而增加。地核和地幔邊界的溫度大約4800 攝氏度，足夠使外核以液態存在。再往裡壓力增加，因而內核是固體的。地核(core)主要成分是鐵以及少量較輕的元素。外核由於地球的自轉和對流而不斷運動，從而產生電流和磁場[20]。然而，由於這種相互作用發生在地球深部，直接測量和觀察它們幾乎是不可能的。雖然我們現有的磁場知識相當先進，但關鍵問題是，對於螺旋星系、恆星和行星這樣的天體而言，磁場是如何形成的仍然是個謎團，太複雜了[21]。
6、小結 (A Summary)
1904-2001年，北磁極(NMP)朝西伯利亞方向移動了驚人的1100公里。
1900-2008年，英國天文臺的磁偏角發生了幾次抽搐(jerks)，原因不明。
1970年之後，英國天文臺的地磁抽搐 (geomagnetic Jerks)頻率加快。
1970年左右開始，北磁極移動速度加快，現在的速度超過40公里/年。
1970-2005年，在阿拉斯加，冬季平均氣溫上升5度，夏季平均氣溫上升10度，年均升溫高達7度。
20世紀70年代，似乎是個標誌性時間，此後，地磁抽搐頻率加快、磁極移動速度加快、阿拉斯加升溫迅速！ 在《地球的變化(一)》中也有個非常明顯的20世紀70年代標誌，之後，乾旱和洪水不管是次數還是頻率都增長迅猛；20世紀70年代之後，自然災害發生的總次數增長迅猛！這在某種程度上表明，從70年代起，地球的活動開始加劇。
磁極逆轉會發生嗎？對目前的人類而言，逆轉不會很快發生，除非受到某種外界因素的強烈影響，因為完成一次逆轉得需要1000-8000年。在過去的2000年內，北磁極僅僅是在北極附近徘徊。
那地極會發生移動嗎？下篇文章《地球的變化(三) – 極移》裡將探討這個問題。
[References]
[01] The Earth's magnetic field
http://seismo.berkeley.edu/~rallen/eps122/lectures/L05.pdf
[02] There are two North Poles: the geographical and the magnetic North Pole.
http://www.physlink.com/education/askexperts/ae31.cfm
[03] The Atlas of Canada, Canadian Arctic
[註：鏈接含河蟹詞彙，影響文章發表，請Google吧]
[04] What is a Magnetic Pole?
http://gsc.nrcan.gc.ca/geomag/nmp/what_nmp_e.php
[05] Long Term Movement of the North Magnetic Pole, Geological Survey of Canada
http://gsc.nrcan.gc.ca/geomag/nmp/long_mvt_nmp_e.php
[06] North Magnetic Pole Is Shifting Rapidly Toward Russia, Brian Vastag, December 15, 2005
http://news.nationalgeographic.com/news/2005/12/1215_051215_north_pole.html
[07] POLAR AXIS SPIN: THE COMING POLE SHIFT
http://www.greatdreams.com/spinaxis.htm
[08] The Magnetic South Pole
http://deeptow.whoi.edu/southpole.html
[09] South Pole
http://www.newworldencyclopedia.org/entry/South_Pole
[10] Magnetic field reversals
http://gsc.nrcan.gc.ca/geomag/nmp/reversals_e.php
[11] Chronometric Techniques
http://anthro.palomar.edu/time/time_4.htm
[12] Historical main field change and declination
http://geomag.org/info/declination.html
[13] Magnetic declination
http://gsc.nrcan.gc.ca/geomag/field/magdec_e.php
[14] Earth's Magnetism
http://sos.noaa.gov/datasets/Land/earths_magnetism.html
[15] Movement of Magnetic Declination from 1590 to 2010 (9 mb)
http://sos.noaa.gov/videos/magnetic_declination.mov
[16] THE EARTH'S MAGNETIC FIELD - AN OVERVIEW
http://www.geomag.bgs.ac.uk/earthmag.html
[17] Magnetosphere
http://pluto.space.swri.edu/image/glossary/magnetosphere.html
[18] About Real-Time Magnetosphere Simulation
http://www2.nict.go.jp/y/y223/simulation/realtime/research_e.html#aboutR...
[19] Origin of the Earth's Magnetic Field
http://knol.google.com/k/origin-of-the-earth-s-magnetic-field
[20] Generation of the Earth's magnetic field
http://gsc.nrcan.gc.ca/geomag/field/field_e.php
[21] Origin of Earth's Magnetic Core Remains a Mystery
http://www.livescience.com/environment/070510_magnetic_field.html
