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地球磁极位移

时间:2022-01-19 历史故事 版权反馈
【摘要】:由此他提出,地球本身就是一个巨大的磁体,这个磁体的北极就位于地球的北极地区,而这个磁体的南极就位于地球的南极地区。由此,人们想到了地球的中心部分应该是由金属组成。地球有一个由铁和镍组成的球形地核,其直径大约为6900千米。铁在被加热到“居里点”760℃时将失去磁性。但是,地球的磁场并不是绝对稳定不变的。更有甚者,地球的南北两个磁极也不是在地球两个半球正好相对的位置。此外,地磁场的强度也是每年都在变化。
地球磁场_终极抉择威胁人

地球磁场

大约在公元前600年,古希腊哲学家泰勒斯(Thales,公元前624—前546)就首先用天然磁矿石做过实验,发现它们能吸引铁。后来,人们又知道这种磁石(我们现在知道这是铁的一种氧化物)能够让细铁条也带上磁性,而且磁化了的细铁条所显示的磁性比磁石本身更强。

在中世纪,人们还发现,如果把一根磁针放置在一个漂浮着的轻小物体上,它就会总是转到指向南北的方向停止下来。由于这个缘故,磁针的一端就叫做磁北极,另一端就叫做磁南极。中国人至少在公元1100年以前就记载过这种现象,而在那以后100年,欧洲人才学到了这一知识。

正是利用了磁针,把它当作“水手罗盘”,欧洲的航海家航行在海上时才有了安全感,从15世纪起开始了他们作出一系列发现的伟大航海时代。他们的这些航海探险使欧洲在长达近5个世纪里一直保持着世界霸主的地位。(菲尼克斯人、北欧海盗和玻利西亚人没有罗盘也曾有过卓越的航海经历,然而却冒有极大的风险。)

罗盘针能够始终指向北方,起初,这简直不可思议。当时有一种近乎神秘色彩的看法,认为在遥远的北方有一座由磁矿石堆成的大山在吸引着磁针。伴随着这种看法,当时也就流传着种种关于冒险接近这块大磁体的船只的引人入胜的传说。据传,只要船只靠近那座大山磁体,船身上的铁钉全都会被大磁体吸拔出来,从而使整艘船只解体而沉没。在《一千零一夜》一书中,就记载着这样一个故事。

1600年,英国物理学家吉尔伯特(William Gilbert,1544—1603)又提出来一种有趣得多的解释。他用磁石做成一个球,把一根磁针放在这个磁球周围的不同地点,观察磁针所指的方向。他发现,那根磁针在磁球周围的表现同罗盘针在地球表面各处的表现完全一样。由此他提出,地球本身就是一个巨大的磁体,这个磁体的北极就位于地球的北极地区,而这个磁体的南极就位于地球的南极地区。

按照苏格兰探险家罗斯(James Clark Ross,1800—1862)的测定,在1831年,人们确定出地球北磁极(2)的具体地点是在北美最北端布西亚半岛西海岸的某处。在那个地点,罗盘针的指北端竖直向下。到1909年,澳大利亚地质学家大卫(Edgeworth David,1858—1934)和英国探险家莫森(Douglas Mawson,1882—1958)再勘查出地球南磁极的具体地点是在南极大陆边缘的某处。

可是,地球为什么是一个磁体呢?1789年,英国科学家卡文迪什(Henry Cavendish,1731—1810)测出了地球的质量。自那以后,人们就知道地球由于平均密度很大,不可能全是由岩石构成。由此,人们想到了地球的中心部分应该是由金属组成。此外,人们还发现许多陨星都是由铁和镍大致按10∶1的比例组成,从而想到地球的中心部分大概也是这种比例的金属混合物。这样一种看法,是法国地质学家多布雷(Gabriel August Daubrée,1814—1896)在1866年最早提出来的。

在19世纪快要结束的时候,科学家非常详细地研究了地震波穿过地球本体的传播。有迹象表明,地震波在向下穿透到2900千米的深度时,其传播方向会突然发生一次较大的改变。

1906年,科学家把这种现象解释成在那样的深度地球的化学组成有突然变化,也就是说,地震波在那里由岩石地幔层进入了金属地核。这也是今天的理论。地球有一个由铁和镍组成的球形地核,其直径大约为6900千米。这个地核由于密度很大,虽然质量占到了地球总质量的1/3,而体积却只占地球体积的1/6。

知道了这一些,我们似乎就可以干脆假定地核是一个磁体,这样来说明罗盘针指示方向的现象。然而,这种假定是行不通的。在1896年,法国物理学家居里(Pierre Curie,1859—1906)曾加以证明,磁性物质当被加热到一定的高温时,就会失去它的磁性。铁在被加热到“居里点”760℃时将失去磁性。镍的居里点更低,是356℃。

铁镍组成的地核的温度难道会高过居里点吗?会的,因为某些类型的地震波从未能从地幔进入过地核。这些类型的地震波恰好也全都不能穿过液体。由此可见,地核的确非常热,应该是由液态铁镍组成。铁的熔点在正常环境下是1535℃,在地核外面地层的强大压力的作用下还会更高。仅此一点便足以说明,地核不可能是像普通磁铁那样的磁体。

然而,地核是液体,这就又有了新的出路。早在1820年,丹麦物理学家奥斯特(Hans Christian Oersted,1777—1851)就已证明,电流可以产生磁效应(“电磁效应”)。当电流流过导线做成的线圈时,线圈会表现出磁效应。按其磁性来说,通电线圈就像是一个安放在其轴线位置的普通条形磁体。

考虑到这一点,德国出生的美国地质学家埃尔泽塞尔(Walter Maurice Elsasser,1904—1991)在1939年提出,地球的自转有可能在液态地核内部产生许多旋涡,即缓慢流动的熔融铁镍金属的巨大环流。因为原子是由带电的亚原子粒子组成,加之铁原子的结构又十分特殊,液态内核中的这种环流就可能产生出作环形流动的电流那样的效应。

既然导致地核内铁镍环流的地球自转是从西向东,那么,这些环流当然也是从西向东流动,所以铁镍地核的磁性也就像是一块南北放置的条形磁体。

但是,地球的磁场并不是绝对稳定不变的。地球的两个磁极实际上每年都在改变位置,而且不知道什么缘故,它们与地球的地理南北极并不一致,而是相距有1600千米之遥。更有甚者,地球的南北两个磁极也不是在地球两个半球正好相对的位置。连接北磁极和南磁极的直线偏在地球中心一侧,与之相距1100千米。此外,地磁场的强度也是每年都在变化。

说到这里,读者也许很想知道,在遥远的过去地磁场是什么样子?在遥远的将来地磁场又是什么样子?真是巧得很,我们对这样的问题并不是回答无门,至少对于过去,是有办法进行推测的。

火山爆发时会喷发出熔岩,而这些熔岩中含有许多带有弱磁性的矿物。这些矿物中的分子有一定的沿着磁力线取向的倾向。当这些矿物处于液体状态时,这种定向取向的倾向受到高温下分子的无规则运动的压制,显示不出来。当火山岩缓慢冷却下来时,分子的无规则运动随之减慢,分子最后会沿南北取向。当岩石固结下来时,分子的这种取向就按当时的样子原封不动地被锁定住。随着一个又一个的分子这样沿南北取向并被锁定住,最后形成的晶体便会具有可以测定的两个磁极,其中的磁北极指向北方,磁南极指向南方,简直就像一个真正的磁罗盘。(我们不难检查出一块晶体或任何一块磁体的磁北极,因为它就是排斥一根罗盘针北极的那个磁极。)

1906年,法国物理学家布吕纳(Bernard Brunhes)注意到这样一个事实,即有些火山岩晶体的磁化方向与正常的磁化方向相反。它们的磁北极(由罗盘针判断出)竟指向南方。布吕纳作出这项发现以后,科学家曾对大量火山岩进行过研究。他们发现,虽然在多数情况下,火山岩晶体的磁北极的确是指向北方,但在有些情况下,它们的磁北极却反常地指向南方。显然,地球的磁场在周期性地倒转方向。

通过测定所研究的岩石的年龄(有许多种相当可靠的测定方法),科学家们判断出,在过去的最后70万年中,地磁场一直保持着它今天的方向,即所谓“正向”。然而在那以前大约100万年中,地磁场差不多一直处于“反向”位置,只有其中分别为10万年的两个短时期才是正向的。

科学家还推断出,在过去的最后7600万年中,地磁场的方向至少翻转过171次。两次翻转之间平均间隔的时间大约是45万年,而且两种取向方式,正向和反向,在长时间中分别所占的时间基本上相等。至于两次翻转之间相隔的具体时间,则长短相差很大。相继两次翻转之间,最长的相隔300万年,最短的只相隔5万年。

地磁场的这种翻转是怎样进行的呢?我们知道,地球的磁极一直在地球表面上移动位置,那么,它们是否可以到处移动呢?譬如说,地球的一个磁极是否可以从北极地区一直移动到南极大陆,而另一个磁极则从南极大陆一直移动到北极地区?这看来是不大可能的。如果真的发生过这种事情,那么在两次翻转正中间的某段时间,地球的两个磁极就会一度位于赤道地区。如果有过那种情况,就应该有一些晶体大致是东西取向。可是,从未发现过这样的晶体。

看来,翻转多半是这样进行的:地磁场的强度逐渐变化,先是增强,然后减弱。当它到某个时间减弱为零时,接着再增强,但方向已经相反。此后,它又减弱,变为零,再开始在原来的方向增强;如此这般,反复变化。

这种情况在一定程度上就类似于太阳上黑子的变化周期。太阳黑子先是数目增多,然后减少,接着黑子磁场颠倒方向,其数目再次增多。这以后,这种磁场方向相反的黑子的数目又减少,磁场变回原方向以后又开始增多。所以,太阳黑子最多时候的磁场总是交替地一次是正方向,一次是反方向。同样,地磁场的峰值也是交替地一次是正方向,另一次是反方向。两种场合的唯一差别,只是地磁场变化的规律性要比太阳黑子的周期变化差得多。

造成地磁场强度变化从而导致其方向翻转的原因,多半是液态地核内环流物质运动的速度和方向发生了变化。这就是说,液态地核起初是向着某一个方向作旋涡运动,越来越快,然后越来越慢,直至作一短时间的停顿,此后又向着另一个方向作旋涡运动,越来越快,再越来越慢,再停顿,再开始向着原来的方向作旋涡运动;如此等等。液态地核的旋涡为什么会交替改换方向,旋涡的速度为什么会改变,这样的变化又为什么如此地没有规律,所有这些我们都还无法解释。然而我们却知道地磁场是如何影响宇宙线对它的轰击的。

在19世纪20年代,英国科学家法拉第(Michael Faraday,1791—1867)首先提出了“磁力线”的概念。磁力线是一种假想的从任何一个磁体的磁北极连向其磁南极的曲线,沿着任何这样一根磁力线移动,磁场始终保持恒定数值不变。

一个磁性粒子可以沿着这种磁力线自由运动,但是,它如果要横越磁力线,就必须消耗能量。

地球的磁场以其连接两个磁极的磁力线包裹着地球。任何一个来自外层空间的带电粒子都必须横穿过这些磁力线才能到达地球表面,而它在这样做时,就会失去能量。如果这个粒子起初的能量就很小,那么,它的能量就有可能在穿越过一些磁力线后丧失干净,从而无力再继续穿越磁力线。在这种情况下,它只能沿着某一根磁力线运动,紧紧缠绕着那根磁力线作螺旋式行进,从地球磁北极运动到磁南极,再从磁南极运动到磁北极,如此往复不已。

太阳风中的许多粒子都属于这种情况,所以总是有大量粒子沿着地球的磁力线运动,并在大气层外面很远的地方形成所谓的“磁层”。

在地球的两个磁极附近,地球的磁力线会汇集起来达到非常大的密度。外来的带电粒子将顺着这些磁力线向地球表面冲来,从而与地球大气的最上层部分发生撞击。在那里,带电粒子同原子和分子相碰撞,同时释放出能量,于是就形成极光。极光是极地夜空中的一种美丽景象。

那些能量特别高的粒子还有可能穿越过地球所有的磁力线,径直击中地球的表面。不过,当它们到达地面时,其能量总是比原来的能量要小。此外,它们还会向北和向南偏转,而且能量越低的粒子,偏转就越大。

宇宙线的能量非常高,足以穿透磁力线径直击中地球表面。然而,它们也会在途中损失掉一些能量,强度减弱,而且会发生偏转。这就是说,存在着一种“纬度效应”。到达地球表面的宇宙线,它们在赤道附近,强度减弱得最厉害;离开赤道向北和向南,强度越来越大。

我们知道,地球上的陆地生命,从热带往北和往南去,密度越来越小(海洋生命会受到厚水层一定程度的保护);所以结果是,地球磁场不仅使宇宙线减弱,而且使宇宙线从生命稠密地区移向了生命稀疏地区。

即使宇宙线在地球的两个磁极附近十分集中,强度最大,它们对生命似乎也不会有什么影响。这就是说,长时期来,由于存在着地球磁场,宇宙线对生命的有害的致变作用一般说来并不严重。

然而,如果地球磁场的强度减弱,上述的抵御宇宙线的保护作用便会随之变弱。在每一次地球磁场发生翻转的时期,地球都会有一段时间几乎可以说完全没有磁场,宇宙线流自然也会完全不发生偏转。在那段时间,陆地生命(包括人类在内)的集中栖居地热带和温带就会遭受到比别的任何时候都要更强的宇宙线的轰击。

如果恰值这样一个地磁场翻转时期,地球附近爆发了一颗超新星,那么又会出现什么情况呢?遇上这种情形,超新星爆发的影响肯定要比地磁场仍然相当强时要严重得多。既然如此,那么,会不会由于真的在地球磁场翻转时期凑巧附近有一颗超新星爆发,而在地球上发生一次或几次大死亡呢?

这是极不可能的。因为,附近出现超新星的机会极小,而地磁场也难得翻转一次。两种极难出现的现象凑巧一起出现,其机会自然要比其中单独一种现象出现的机会小得多。不过,这种巧合毕竟是可能的。万一出现这种情况,等待着我们的将是一种什么前景呢?

1670年,科学家刚开始获得对地磁场强度的可靠测量结果,自那时以来,地磁场的强度已经减弱了大约15%。如果按这个速度减弱下去,那么,到公元4000年,地球磁场就会减弱至零。到那时,即使宇宙线粒子因为附近没有出现超新星爆发总量一点没有增加,照射到人类主要居住地区的宇宙线粒子的数目也会比今天大约要多一倍。结果,人类的遗传负荷很可能会明显地加重。

倘若附近没有同时爆发一颗超新星的话,上述后果也许并不算十分严重。而在公元4000年,附近根本不可能出现一颗超新星。这是因为,到公元4000年以前,可能变成一颗超新星的最近一颗恒星是参宿四(猎户座α),而它的距离并不算太近,即使地球当时没有磁场,它的爆发也不会造成什么麻烦。

当然,如果说到更远的将来,这种不利的巧合还是有可能发生的。然而,不论是附近的超新星爆发还是地磁场的翻转,都不大可能突如其来不期而至。两者在出现前都会有明显的预兆,我们会有充足的时间采取一些临时措施,以保护我们不受那短暂的宇宙线爆发的伤害。

然而,这毕竟是一种潜在的灾变。这种灾变一旦来临,它对空间定居点的威胁肯定要比对地球本身的威胁大得多。

【注释】

(1)这里可以打个比方。一种情况是把一根缝衣针和一根线分别抛掷空中,却希望那根线碰巧穿过针眼;另一种情况是一手拿针,另一手拿线,有意地把线穿过针眼。前者相当于没有酶存在时细胞内的一种反应,后者相当于有酶存在时的那同一种反应。

(2)根据约定,科学家把一块磁体指向地球北方那一端的磁极称为磁北极,把指向地球南方那一端的磁极称为磁南极。因此,地球作为一个大磁体,它在北方的这个磁极实际上是它的磁南极,而在南方的那个磁极实际上是它的磁北极。——译者

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