地球磁場

大部份的人都認為,羅盤會指向南、北方是理所當然的。數千年來,水手靠著「地球磁場」(Earth's Magnetic Field) 來導航;而鳥類和其他能感應「磁場」的動物,則已經運用這個方法有更長一段時間了。然而奇怪的是,地球的「磁極」(Magnetic Dipole) 並不是一直都朝著現在所指的方向。

有些礦物可以記錄「地球磁場」的方向;根據它們的記錄所顯示,在地球 45 億年的歷史中,「地磁」的方向已經反覆南北倒轉了好幾百次。不過,在最近的 78 萬年內都未曾發生過倒轉──這比之前發生倒轉的平均間隔時間 25 萬年要長了許多。此外,地球的主要「磁場」自 1830 年首次測量至今,已經減弱了將近 10%。這個速率相當於在失去能量來源的情況下,「磁場」自然消退速率的 20 倍。而對於最近全球發生大量魚、鳥神祕集體死亡事件,有不少人都認為是「地磁的」改變所引致,難道是,下一次的「地磁反轉」(Geomagnetic Reversal) 即將來臨?

地球物理學家很早就知道,「地球磁場」變化的原因深藏於「地球」中心。「地球」就如同「太陽系」(Solar System) 裡的一些其他天體,是利用內部的發電機來產生磁場。基本上,地球發電生磁的機制就和普通發電機一樣,藉由某個部份運動的動能,產生電流和磁場。在一般的發電機裡,運動的部份是旋轉的線圈;而在行星或恆星裡,運動的則是導電的流體。在地球核心,有著體積相當於六個月球、處於熔融狀態的鐵,形成不斷環繞流動的汪洋,構成了所謂的「地球發電機」(Geodynamo)。

一直以來,科學家主要是靠著簡單的理論來解釋「地球發電機」和其神秘的磁力。但最近 10 年,研究人員發展出新的方法來探索「地球發電機」的詳細運作機制。人造衛星能清楚拍攝地表磁場的圖像;而利用超級電腦來模擬地球發電機,以及在實驗室裡建立的物理模型,則解釋了軌道上的觀測結果。這些工作,對於過去的磁極反轉提出了一套很有意思的解釋,更對下一次的反轉事件將如何展開,提供了新的線索。

Geodynamo

在我們開始探索磁場如何反轉之前,必須先了解,是什麼力量驅動著「地球發電機」?在 1940 年代前,物理學家便已明白,行星要能產生磁場,必須滿足三項基本條件;之後的發現都是建構在這個基礎上。第一件,要有大量的導電流體──地球的「外核」(Outer Core) 為液態,且富含鐵質。這關鍵性的外核包覆著幾乎是由純鐵所組成的固態內核,深埋在厚重的地函與極薄的大陸、海洋地殼之下,距離地表的深度約 2900 公里。「地殼」(Crust) 和「地函」(Mantle) 的重量,使「地核」(Core) 內的平均壓力高達地表壓力的 200 萬倍。此外,「地核的溫度也十分極端──約為 5000℃,相當於太陽表面的溫度。

這些極端的環境條件,構成了「行星發電機」的第二條件:流體運動的能量來源。驅動地球發電機的能量,部份是熱能,部份是化學能──兩者都在「地球核心」深處造成浮力。就像一鍋在爐上燒著的湯一樣,「地核」底部比頂部熱。(「地核」的高溫來自「地球」形成時囚禁在中心的熱能。) 因此「地核」底部那些較熱、密度較低的鐵會上升,就像熱湯裡的大氣泡那樣。當這些液體到達「地核」頂端,碰到上方的「地函」時,會喪失部份的熱。於是液態鐵會冷卻、密度變得比周圍環境高,因而下沉。這個透過流體的上升及下沉,將熱能由下往上傳送的過程,稱為「熱對流」(Core Convection)。

Core Convection

現任職於美國「加州大學洛杉磯分校」(University of California, Los Angeles, UCLA) 的 Stanislav Braginsky 曾於 1960 年代時指出,熱由「地核」的上部逃逸,同時也會使固態內核的體積增加,產生兩種額外的浮力來源,驅動對流:當液態鐵在固態內核的外緣凝固而形成「晶體」(Crystal) 時,會釋放「潛熱」(Latent Heat)。這些熱可以加強熱浮力。此外,如「硫化鐵」(Iron Sulfide) 和「氧化鐵」(Iron Oxides) 等密度較低的化合物被「內核」(Inner Core) 的「晶體」排出,上升通過「外核」,也會加強對流。

行星要產生能自我維持的「磁場」,還有第三個條件:「旋轉」(Rotation)。「地球自轉」(Earth's Rotation) 造成「科氏力效應」(Coriolis Effect),會使「地核」內上升的流體偏向,就像造成洋流及熱帶風暴被扭轉成在「氣象衛星」(Meteorological Satellite) 影像中常見的漩渦狀那樣。在「地核」中,「科氏力」使湧升的流體沿著像開酒瓶器的螺旋路線上升,彷彿順著彈簧的螺旋線圈移動。

「地球」擁有富含鐵的「液態核心」(Liquid Core)、有足夠的能量驅動對流,並具有「科氏力」可使對流的流體扭轉,這些是「地球發電機之所以能自我維持數十億年的主要原因。但科學家需要更多證據來解釋令人困惑的問題,像是「磁場的生成」(Generate a Magnetic Field),以及為什麼「磁極」會隨時間而改變等。

過去五年裡,由於科學家終於能夠比對相隔 20 年所觀測到「地球磁場」的準確分佈,因而有了重大發現。1980 年,「磁場衛星 Magsat」測量了地球表面上的「磁場」;另一枚衛星「厄斯特」(Oersted) 則是在 1999 年起進行同樣的測量。假設「地函」的電流可以忽略,研究者可利用衛星觀測到的結果,以數學方法推算出「磁場」在地核頂部的分佈。地核內具有更為劇烈、複雜的「磁場」,而且也是「磁場」變動的真正發源處,但是研究人員可推算的極限是在「地核」–「地函」交界處;因為「地核」內的電流極強,因此無法直接測量內部的「磁場」。儘管在此既有限制之下,研究人員仍然得到了許多重要的觀測結果,包括關於「磁極」可能開始反轉的線索。

地球磁場3

重要的發現之一,是「地球」的大部份「磁場」僅來自「地核」–「地函」交界面上的四個廣大區域。雖然「地球發電機」所產生的「磁場」非常強烈,但是「磁場」的能量只有約 1% 可以延伸到「地核」外。在「地表」進行測量時,這個「磁場」最顯著的結構是「偶極」(Dipole),多數時候與「地球自轉軸」(Earth's Rotation Axis) 大致平行。「地磁」就如同一根普通的磁鐵棒,而這個磁場的主要「磁通量」(Magnetic Flux) 是在南半球由地核向上穿出,並在北半球向內進入地核。(指南針的磁針之所以會指向地球的地理北極,就是因為上述「偶極」的磁南極正好在那附近) 但人造衛星顯示,「磁通量」並非是均勻遍佈全球的。「偶極磁場」的強度大部份是來自「北美洲」(North America)、「西伯利亞」(Siberia) 和「南極洲」(Antarctica) 沿海地表下方。

任職於德國「卡特倫堡–林島」(Katlenburg-Lindau) 的「馬克士普朗克太陽系研究所」(Max Planck Institut für Sonnensystemforschung) 的 Ulrich R. Christensen,推測這些大區塊是來自地核內部持續變化的對流結構,而且在幾千年間不斷改變。有沒有可能,類似的現象是造成「磁偶極反轉」的原因?由地質記錄得到的證據顯示,過去的反轉事件週期相當短,約4000~10000年。就算「地球發電機」停止運作,「磁偶極」也得要將近 10 萬年才會自行消失。因此,這麼快速的變化,暗示了有某種不穩定性破壞了原來的極性,同時產生新的極性。

對個別的反轉事件而言,這神秘的不穩定性可能是流場結構的某種混沌變化,只能偶爾成功的「逆轉磁偶極」。但發生反轉的頻率在過去 1 億 2000 萬年間穩定增加,可能是有外在的控制因素。其中一個可能,是「地函」底部的溫度變化能迫使「地核」改變其內部上升流動的結構。

其他研究團隊分析了「磁場衛星」和「厄斯特衛星」觀測的分佈圖,發現可能引發「磁極反轉」的變動跡象。Gauthier Hulot 和他在法國「巴黎地球物理研究院」(IPGP) 的同事注意到,「地球磁場」的持續變異,是來自「地核」–「地函」交界面上某些「磁通量」方向與整個半球相反的區域。這些所謂的「反向通量斑塊」(Reversed Flux Patch) 中,最大的一塊由非洲南端下向西延伸至南美洲南端下方。在這個斑塊裡,「磁通量」向內進入「地核」,然而南半球大部份「磁通量」是指向外的。

研究人員比較了最近由「厄斯特衛星」觀測到的磁場以及 1980 年的觀測結果。所得到最重要的結論之一,是新的斑塊持續在北美東岸及南極等地區下的「地核」–「地函」交界處形成。更重要的是,較老的斑塊面積擴大了且略向兩極方向靠近。1980 年代晚期,英國「里茲大學」(University of Leeds) 的 David Gubbins 研究較老舊、粗略的磁場圖,發現「反向通量斑塊」的增加、擴張和往兩極移動,可解釋「磁偶極」隨時間減弱的情形。

這些觀測結果可以利用磁力線的概念解釋 (實際上,磁場在空間中是連續的)。我們可以想像,這些磁力線「凍結」在「液態鐵核」(Liquid Rron Core) 中而隨之運動,就像是在水杯中的顏料線條被攪動時的樣子。在地核中由於「科氏力效應」,流體中的渦流將磁力線扭結成團,看起來就像一團團的義大利麵條。這樣的糾結把更多的磁力線壓縮在「地核」內,因而增加了「磁場」的能量。(如果這個過程不受抑制的話,「磁場」會無限制的增強。但是電阻會減弱、緩和磁力線的扭轉,適當阻止了「磁場」無限制的增強,但又不會破壞「地球發電機」的運作。)

地核

具有強大「磁通量」的斑塊,不論方向是正是反,都是渦旋與「地核」內部的東–西向「環狀磁場」(Magnetic Ring) 交互作用時,在「地核」–「地函」交界面上所形成。這些亂流般的流體運動可以把環狀的磁力線彎曲、扭轉成小圈,形成「極向磁場」(Poloidal Field),方向為南–北指向。有時這種扭曲是由湧升流裡上升的流體造成的。如果湧升流夠強,「極向磁場環圈」(Poloidal Magnetic Ring) 的頂端會被排出到「地核」之外。這樣的過程會使小圈的兩端穿過「地核」–「地函」交界處,產生一對通量斑塊。斑塊之一具有正常方向的「磁通量」(與該半球整體的偶極方向相同);另一個斑塊的通量方向則是相反的。

如果扭曲所造成的「反向通量斑塊」,比正常通量的斑塊更靠近地理極點,則會使「磁偶極」減弱,因為「磁偶極」對於在極點附近的變化最敏感。這確實說明了目前位在非洲南端下的反向通量斑塊。如果整個行星的磁極要真的反轉,反向通量斑塊需擴大到涵蓋整個極區;同時,另一個地理極點附近也會發生類似的區域極性全面變化。

為了進一步深究「反向通量斑塊」如何發展,以及它們如何預示下一次的「磁極反轉」,研究人員在超級電腦上和實驗室內模擬「地球發電機」。現代「地球發電機」的電腦模擬始於 1995 年,有三個研究團隊:日本「東京大學」(The University of Tokyo) 的 Akira Kageyama 及其同事、美國「加州大學洛杉磯分校」(University of California, Los Angeles, UCLA) 的 Paul h. Roberts 與 Gary A. Glatzmaier,以及「英國艾克斯特大學」(University of Exeter, UK) 的 Christopher A. Jones 及同事,這些團隊各自發展數值模擬,能夠產生類似在地表觀測到的「磁場」。自此之後,針對長達數十萬年的模擬運算,結果顯示對流確實能造成「地核」–地函」交界面上的「反向通量斑塊」,就像在人造衛星圖像上見到的一般。這些斑塊往往在「磁偶極」的自發性反轉前出現,而有些模擬也能產生「磁偶極反轉」的現象。

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