地球的磁极缘何会反转
每隔一段时间，地球的磁极就会完全反转，这是何故？这又如何影响地球上的生物？
图解：地球磁场的艺术化图景；
图源： Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images
宇宙中的地球，是个由岩石和水组成的绿洲。地球之所以是生命繁衍的理想之地，是多个因素作用的结果。
地球和其母星太阳的距离适中，使得液态水能够在表面存在。太阳系中许多行星也拥有巨大的引力场，使得我们遇上小行星碰撞等灾难事件的概率下降。此外同样很重要的一点是，地球的磁场像屏障一样环绕并保护着地球，使我们免受划过太空的带电粒子的伤害。
地球的磁场是由外核中熔融金属物质的复杂流动产生的，其流动受到地球自转和固态铁核的影响，最终产生了一个偶极磁场，其方向大致与地球的自转轴一致。
古地层中的铁矿石中暗含着古时候地磁场的痕迹，通过研究这些痕迹我们可以发现地球磁场的方向随着时间流逝而不断变化。这些铁矿石是由富含铁元素的岩浆冷却而形成的，而在冷却过程中，其中的每个铁磁性颗粒都像小磁针一样被当时的地磁场拉拽，并指向当时的地磁北极。古地磁场的方向就这样被矿石记录下来了，对其进行的研究就位于“古地磁学”的范畴内。
古地磁学研究表明：在地球的历史中，地磁场的方向多次偏移，甚至曾经多次两极反转。但为什么会这样呢？
地磁极为何反转
地磁场的变化非常普遍，在数毫秒的短时间内会微微小变，在数百万年内的长时间内也会缓缓大变。前者可由太空中的带电粒子和地磁场之间的相互作用引起，而后者——程度大但是缓慢的变化，则是由地球液态外核的演变引起的。
“地磁场的长期变化归因于液态外核中物质的对流，以及磁场在地核、地幔中的传播。”地球物理学家莱昂纳多·萨格诺蒂（Leonardo Sagnotti）说道。
由外核中金属物质运动引起的磁场变化曾导致地磁场两极的完全反转。古地磁学研究认为，地磁场有两种可能的状态——其一是当前的地磁场所处于的“正常”状态，磁力线从北极附近穿入地球并从南极附近穿出；其二是将南北磁极颠倒过来的状态，这个状态也同样稳定且可能出现。
古地磁学研究亦表明，地磁场两极的反转不是周期性的，其出现时机无法预测，这主要归因于它的产生机理。
“地球外核中的液体（主要是熔融铁）的流动是紊乱的，存在湍流。地磁极反转发生在地磁场强度低的时期，在此期间，地磁场强度急剧下降，并变得不稳定。”萨格诺蒂说。
地磁极反转的过渡期在地质学尺度上似乎只有一刹那（远低于地质学分辨率），持续时间可能只有几千年。
图解：地球周围磁场的样子，橙色和蓝色线条分别描绘磁北极和南极附近磁力线；
图源：美国宇航局/戈达德太空飞行中心科学可视化工作室
地磁极反转如何影响生物
地磁极反转的先兆是其强度的减弱，这会导致太阳风和宇宙射线（以带电粒子的形式）在更大程度上进入地球的大气圈。最近的一项研究表明，在大约41,000年前发生的拉斯钱普(Laschamp)时期，即一个较近的地磁场强度较弱的时期，大气圈顶部接受的辐射量比现在的值高出了三倍。
目前尚没有证据表明地球生物大规模灭绝与地磁极反转之间存在显著相关性。无独有偶，地磁场强度的减弱和物种灭绝率或新物种形成率的变化之间的相关性研究，也因这些事件在时间尺度上不适配而受到阻碍。
实际上，地磁反转在地质时间尺度上频繁发生（在过去的1.6亿年中发生了数次），而记录的大规模灭绝事件发生在每亿年左右（频率低得多）。
就人类文明而言，令人担忧的并不是磁极的偏移，而是随之而来的地磁场强度的减弱。人类社会越来越依赖现代科技，各国政府和国际组织应当严肃考虑地磁场减弱的影响。
“在这种情况下，带电粒子未能被地磁场阻隔而进入近地空间的频率将显著增加，这对我们的现代社会有重大影响。”萨格诺蒂补充说。
“我们的星球和文明所面临的这个风险，影响人类社会的方方面面，其可能对商业、安全、通信、电力基础设施、卫星以及近地轨道上的人们产生严重的影响。不幸的是，地磁场变化或反转的发生似乎是随机的，意味着我们无法准确预测此类事件的发生时机，我们唯一知道的是这肯定会发生。”
BY: Conor Feehly
FY: 浪漫主义学派
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