地球的变化(二) - 地球磁场
前言
在上篇文章《地球的变化(一)》中我们了解到，最近几十年，以地震、火山、洪水、干旱、龙卷风等为代表的自然灾害呈现出指数增长的趋势。连锁反应、蝴蝶效应、指数增长，预示着未来极有可能发生大灾难。这种地质和大气环境的变化，从一定程度上也说明地球内部活动在加剧。由于地球内部深达数千公里，在目前来讲，直接测量和观察地球深部是不可能的。下面我们看一下反应地球内部活动的地球磁场都有怎样的变化。
目录
1、磁极移动 (Magnetic Pole Movement)
2、磁场翻转 (Magnetic Field Reversal)
3、地磁抽搐 (Geomagnetic Jerks)
4、磁层变化 (Magnetosphere Change)
5、地磁来源 (Origin of Earth's Magnetic Field)
6、小结 (A Summary)
正文
1、磁极移动 (Magnetic Pole Movement)
磁极与地极 (Magnetic Pole & Geographic Pole)
地球的磁极(Magnetic Pole)与地极(Geographic Pole)并不重合，之间有11.5度的夹角[01]。
地理北极(North Geographic Pole)是北纬90度的点，在大多数地图中都将此标注为北极，非常接近地球旋转轴(rotation axis)穿过地表的点[02]。
北磁极是地球表面上磁场垂直向下穿过的点，现在的位置在北极加拿大(Canadian Arctic) [03]。
在北半球磁场垂直向下，南半球磁场向上。这意味着在加拿大北极(Canadian Arctic)的磁极实际上是“南极(south magnetic pole)”。然而，由于长期习惯和它的地理位置，就被称作北磁极(North Magnetic Pole)了[04]。
磁极移动 (Magnetic Pole Movement)
北磁极不断地沿一个没有规律的路径来回移动，每天高达80公里或更多。磁极点的记录位置，实际上是其每日来回移动的平均值，这种游荡(wander)是由磁场的波动造成的。因此，某个年份的北磁极位置其实是一个平均值，认识到这一点很重要[05]。
北磁极位置的第一次记录是在1831年，罗斯爵士和他的船队在寻找冰封的(ice-bound)西北航道时发现并记录下来的。俄勒冈州立大学的古磁学家(paleomagnetist) Joe Stoner说，从1831年初次发现到2001年最新测定，在整个20世纪里，北磁极(NMP)移动了惊人的1100公里[06]。
从1970年左右开始，北磁极移动速度加快，现在超过了40公里/年。以目前的速度和方向，约在50年内就会移动到西伯利亚(Siberia) [05]。从20世纪70年代开始到2005年，在阿拉斯加，冬季平均气温上升5度，夏季平均气温上升10度，年平均气温升高达7度。没有其它地方正在经历比阿拉斯加更惊人的升温变化[07] 。
1909年磁南极(South Magnetic Pole)第一次确定位置，当时在南极大陆上[08]，由于每年移动10-15公里，现在已经移动到南部海洋里了[09]。
2、磁场逆转 (Magnetic Field Reversal)
地球磁场沿着旋转轴有一个近似的偶极子形状，像一个条形磁铁，有南北磁极，这是正常情况。但有时磁场会转换极性，北磁极与南磁极逆转，磁场变成相反的状态，这个过程有好几个名字，其中“磁场逆转(magnetic field reversal)”、“极性转变(polarity transition)”是最常用的[10]。
基于热剩磁(TRM, Thermoremnant magnetism)方法[11]，研究人员已经建立了过去10,000年内北磁极在地图上的位置，在过去的2000年内，北磁极仅仅是在北极附近徘徊。然而，北磁极所做的不仅仅是数千英里徘徊旋转。过去有许多次南北磁极完全逆转，熔岩和火山灰沉积物通常包含这些逆转的热剩磁性记录(thermoremnant magnetic records)。
证据表明，过去3.3亿年内发生了超过400多次逆转，平均约70万年一次。然而逆转时间不固定，从少于10万年到数千万年不等。在最近的地质时代里，平均每20万年出现一次逆转，但最后一次逆转发生在78万年前[10] 。对人类而言，逆转不会很快发生，因为得需要1000-8000年才能完成一次逆转。地球磁场的减弱被认作是逆转临近，在过去的250年里，磁场已逐步弱化，这意味着未来可能发生逆转[11]。尽管这种可能性不容忽视，但许多研究者相信这种弱化不会持续反而会强化，因为过去发生过多次[10]。
3、地磁抽搐 (Geomagnetic Jerks)
磁偏角(Magnetic declination)
地球表面很多地方，指南针仅仅大致指向北方。这是因为地球的磁场形状复杂，仅在少数地方指南针准确指向北方[12]。指南针与磁场的水平分量(horizontal component)，在磁北(magnetic north)的方向上排成一线。真北(true north)是从某处指向地理北极(north geographic pole)的方向[13]。
磁北和真北之间的夹角称为磁偏角(magnetic declination)。许多人认为指南针指向北磁极(North Magnetic Pole)，这是不对的。如果你跟随指南针行进，最终可以到达北磁极，但走的不是最直接的路线[13]。
磁场的不断变化导致磁偏角也随时间改变，有的地方磁偏角的变化非常大[13]。美国国家气象局地球物理数据中心(NOAA National Geophysical Data Center)描绘了1590 -2010年的磁偏角曲线[14]，并做成动画(Movement of Magnetic Declination)[15]，非常直观。
地磁抽搐 (Geomagnetic Jerks)
从1900-2008年英国Lerwick、Eskdalemuir和Greenwich-Abinger-Hartland天文台的磁偏角变化率曲线图中可看出，在长期变化中有几次趋势变化，特别是在1925、1969、1978 和1992年。这些突然的变化被称为抽搐(jerks)或脉动(impulses)，目前原因不明，当然也无法预测。但可以发现一个趋势：抽搐的频率加快，特别是1970年之后[16]。
4、磁层变化 (Magnetosphere Change)
磁层(Magnetosphere)
磁层是一个天体周围受其磁场控制的空间范围。地球磁层是来自太阳风和地球电离层的等离子受地球磁场影响而形成的腔体。与太阳风的相互作用使得地球的偶极磁场变形，白天的那面(朝向太阳)，磁力线被压缩，而夜晚的那面(背向太阳)，则被拉伸形成一个长长的像彗星一样的尾部。朝向太阳的那面，磁层向外延伸约10 个地球半径的距离(在静态下) ；而在背向太阳那面，磁层则延伸有几百个地球半径的距离。磁层包含各种大型区域，其组成、能量、等离子体密度均有所不同。占据这些区域的等离子体来源有两个：太阳风和地球电离层。这两个来源的相对贡献，因地磁活动水平的不同而异[17]。
地球磁层是一个高度动态的结构，随着太阳风动态压力(dynamic pressure)和星际磁场(interplanetary magnetic field, IMF)方向的变化而急剧变化。从太阳风中吸收的一些能量直接驱使产生各种磁层变化，而一些存贮在磁层尾部(magnetotail)的能量，则随后在亚暴(substorms)中释放。这种能量从太阳风转移到磁层的主要方式，称为“重联(reconnection)” [17]。
磁层变化 (Magnetosphere Change)
日本国家情报与通信技术研究所 (NICT)通过使用超级计算机实现了对磁层的实时模拟，输入参数是由ACE卫星例行观测获得的实时太阳风和星际磁场数据。地球磁层受太阳风的影响呈周期性变化，目前尚未发现有异常[18]。[注：关于此部分将在《太阳的变化》中详细探讨]
5、地磁来源 (Origin of Earth's Magnetic Field)
地球磁场必须不断地补充能量，否则它与太阳风、地球物质的相互作用会导致它衰退并最终消失。因此，在地球中心或接近中心的地方必须存在一个产生地磁场和能量源的机制[19]。
有很多假定的机制来解释磁场是如何产生的，但目前认为可信的只有一个，即地球类似一个发电机，将机械能转换为电能。要了解一个发电机对地球而言是如何工作的，我们需要了解地球内部的构造。地球是由多层组成：薄薄的地壳(thin outer crust)、硅酸盐地幔(silicate mantle)、外核(outer core)和内核(inner core)。温度和压力在地球内部随深度而增加。地核和地幔边界的温度大约4800 摄氏度，足够使外核以液态存在。再往里压力增加，因而内核是固体的。地核(core)主要成分是铁以及少量较轻的元素。外核由于地球的自转和对流而不断运动，从而产生电流和磁场[20]。然而，由于这种相互作用发生在地球深部，直接测量和观察它们几乎是不可能的。虽然我们现有的磁场知识相当先进，但关键问题是，对于螺旋星系、恒星和行星这样的天体而言，磁场是如何形成的仍然是个谜团，太复杂了[21]。
6、小结 (A Summary)
1904-2001年，北磁极(NMP)朝西伯利亚方向移动了惊人的1100公里。
1900-2008年，英国天文台的磁偏角发生了几次抽搐(jerks)，原因不明。
1970年之后，英国天文台的地磁抽搐 (geomagnetic Jerks)频率加快。
1970年左右开始，北磁极移动速度加快，现在的速度超过40公里/年。
1970-2005年，在阿拉斯加，冬季平均气温上升5度，夏季平均气温上升10度，年均升温高达7度。
20世纪70年代，似乎是个标志性时间，此后，地磁抽搐频率加快、磁极移动速度加快、阿拉斯加升温迅速！ 在《地球的变化(一)》中也有个非常明显的20世纪70年代标志，之后，干旱和洪水不管是次数还是频率都增长迅猛；20世纪70年代之后，自然灾害发生的总次数增长迅猛！这在某种程度上表明，从70年代起，地球的活动开始加剧。
磁极逆转会发生吗？对目前的人类而言，逆转不会很快发生，除非受到某种外界因素的强烈影响，因为完成一次逆转得需要1000-8000年。在过去的2000年内，北磁极仅仅是在北极附近徘徊。
那地极会发生移动吗？下篇文章《地球的变化(三) – 极移》里将探讨这个问题。
[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
[注：链接含河蟹词汇，影响文章发表，请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
