地球磁场翻转对人类生活的影响

人类很早以来就知道地球存在南极北极对称的磁场，中国古代四大发明中就有指南针。

北宋时期已经使用磁针指南，后将磁针装在罗盘上用于指明方向。明代著名的航海家郑和七次下西洋，就是利用罗盘在一望无际的大海上指明航程。

但人们对于地球磁场产生的原因和作深入研究，是从最近一、二百年才开始的，科学家发现地球磁场是在不断变化的，而且还会发生磁场倒转现象，即北极变成南极，南极变成北极。研究地球上岩石的古地磁特性，为地磁场的倒转提供了有力的证据。

一、地球磁场的倒转 

英国科学杂志《自然》2002年4月11日刊登一篇论文，详述了地球磁场日益严重的弱化，引起科学界对这个问题的普遍关注，他们是通过比较分析1979年和1980年美国“马格塞特”号人造卫星数据，佐以1999年发射的丹麦阿斯泰兹（Orsted）号人造卫星收集的最新资料所发现的，法国巴黎地球物理研究所胡洛博士等也发现了北极和南非一个地区的磁场已变得很弱。为了更精确详细地勘测地磁场的变化，欧洲航天局于2013年11月发射了三颗“SWARM”人造卫星，即Swarm-A、Swarm-B、Swarm-C卫星，两颗卫星在450千米轨道并列飞行，第三颗卫星在530千米高的轨道飞行。每颗卫星重量是0.5吨左右，大约6米长。备有矢量场磁力仪、电场仪、加速度计和GPS接收仪和激光测距仪器。Swarm是欧洲航天局（ESA）的第一个地球探测卫星星座，将提供地球磁场的变化信息及其时空演化，为研究气候变化和地球内部演变过程提供有用的数据信息，预期寿命为四年。卫星激光测距数据主要用于精密定轨，此外还用于校准初始阶段任务的GPS接收机系统维护。根据其传回的测量数据，科学家们发现地磁场每20年衰减5%，这个数字大大超过了以前记载的每100年衰减10%，目前地球北极以每年64公里的速度向西伯利亚方向转移。

所谓古地磁是熔岩流里含有微小的矿物颗粒，它们是有无数的指南针或小型磁铁，自由地指向当时的磁场。当熔岩冷却，其中的小磁针就固定在原地。当以后磁场方向改变时，它们也不能再移动，即把当时的磁场记录下来了，所以称为古地磁。

在过去的几千万年中地球磁场已经倒转过好几次，地质学家们对地球岩石中古地磁特性作了研究，发现了地球磁场翻转的证据。他们认为，在过去的7600万年中地球磁场至少反转过171次。但自上一次磁极翻转以来已有78万年没有翻转了，最近英国科学家发现，在过去的200年内陆球磁场已经减弱了15%，他们预言按照这种速度发展下去，在未来的1000年左右，也有可能未来200年内，地球磁场可能会完全消失，从而导致地球磁场的大逆转，地球上的人类和其他生物，将面临一场前所未有的宇宙射线的大灾难。

法国和美国科学家通过10Be(鈹)分折法，也证实了地球磁场发生过翻转。地球上的Be(鈹)元素都是以稳定的9Be元素存在的，如果有10Be存在，则与地球磁场消失有关，因为在地球磁场消失后，地球上空的磁层和电离层也会消失，从太阳发出的宇宙射线中的高能粒子能够毫无阻碍的直接射到地球表面，并轰击氮，氧等元素。发生裂变反应，从而产生了7Be和10Be。7Be和10Be的半衰期不一样，前者半衰期短，很快会消失，而10Be的半衰期很长，有 150万年。找到10Be就等于找到磁场翻转的证据，上世纪七十年代，科学家们在大西洋海底4731米深处发现了较高浓度的10Be，相应的地质年代为70万年，从而证明在70万年前地球有过一段地磁场的反转。

地球磁场倒转的周期，也是最近科学家研究的热门课题，到目前为止也是众说纷纭，古地磁研究表明地磁场大约50万年倒转一次。甚至有人认为1000万年以来已经倒转了50次，即平均20万年倒转一次，在恐龙时期的白垩纪，在其3500万年间，地磁场倒转一次都没有发生。通过（铍）的同位素10Be的研究，有人认为上次侧转距今已有70万年了，加上目前人们已经知道20世纪100年里，磁北极一直在加速漂移，每年平均移动10千米。

现在北极点已从加拿大漂移到西伯利亚了，两极磁场也在逐渐减弱，推测地磁场很快会发生倒转。

二、地球磁场反转的原因 

说到地球磁场翻转的原因，我们首先要讲地球为什么会有磁场？

地球拥有磁场是因为地球内核中有一个巨大的铁球，温度为6000℃，压力为360万个大气压，地核中心的大量铁磁质元素，在这种高温高压条件下，其物质变成带电量不等的离子体，即原子核中的电子克服原子核的引力，变成自由电子，这些自由电子朝向压力较低的地幔方向逃逸，使地核处于带正电状态，地幔附近处于带负电状态，由于地球自转，必然造成地幔中的负电子层的旋转，产生电流，因为地核体积极大，温度压力极高，使地幔中的导电率极高，电流消耗很少，这样使地球形成一个磁场强度较稳定的南北极磁场。地球内部的磁场根据物理学定律来判断是一个两端开口的椭圆蛋壳形状。而这个液态铁球表层被一层熔融的金属所包围着，由于地球的自转和温度的变化，能使熔融的金属沸腾，并围绕地球内核旋转，从而产生了磁力线，磁力线从南极出发环绕地球最后回到北极，图1表示地球磁力线的方向。

图1 地球磁力线的方向

究竟是什么原因，使地球磁场方向反反复复的发生1800的改变，也就是地球两极的极性发生翻转现象。目前科学家莫衷一是，还有较大的争议。有一种观点认为，是地球内核相互挤压的过程不是永恒的，而是会发生变化的。经过一段时间的挤压，地核内部的原子核间的斥力和正负电场引力达到平衡，这时电流会消失，地球磁场也会随之消失，这使太阳发射的各种宇宙粒子和射线会直达地表，密集的正电子粒子对电子的中和作用会进一步增强，这样使地核中的电子减少，当地核中的正电子占有优势时，地核中的负电子会回流到地心，这时地球仍有一定的自转特性时，地球的方向会发生变化，即发生的地球磁场的翻转。另一种观点是地幔中的电子位置并不是固定不变的，会有许多偶然的因素,影响其发生变化，再加上地球受到太阳和月亮的引力作用，地核和地幔间并不同步，这会产生强大的交变电磁场，地球磁场的南北极因而产生一种低速运动，造成地球磁场的翻转，后者的观点是地球磁场的翻转是随机事件，没有什么规律，随着科学技术的发展，对其它星球，如火星，水星的磁场研究会进一步深入，相信对地球磁场翻转的原因最终会得到解释。

三、地球磁场翻转对人类生活的影响

这个问题是目前大家十分关心和感兴趣的课题，人类现在就生活在地球磁场中，磁场对生物起着一定的作用，例如：用磁场对种子作磁化处理后，发现磁场能增强它的抗病虫害能力，甚至提高了产量，目前还有一些所谓的“太空实物”，即把种子带到太空中后，产生基因变异，结出的果实变大，变好吃。

地球磁场的减弱可能使地球的温室效应更加严重。计算机模型表明，如果地球南北极的强度继续减弱，则来自太阳的质子风暴可能使高达40%的地球高纬度臭氧层被破坏掉，每次破坏时间长达数月至一年。这为南北极冰山融化提供了合理的解释，也为地磁层漏能效应和臭氧层漏能效应提供了证据，全球变暖与地磁场减弱有关。

地球南北极颠倒一下，本来也不是什么可怕的事情，问题在于在磁极翻转的过程中，地球太空中高达5.8万公里的磁层和电离层也相应的完全消失了，地球磁场不是孤立的，它受到外界扰动的影响，宇宙飞船就已经探测到太阳风的存在。太阳风是从太阳日冕层向行星际空间抛射出的高温高速低密度的粒子流，主要成分是电离氢和电离氦。

因为太阳风是一种等离子体，所以它也有磁场，太阳风磁场对地球磁场施加作用，好像要把地球磁场从地球上吹走似的。尽管这样，地球磁场仍有效地阻止了太阳风长驱直入。在地球磁场的反抗下，太阳风绕过地球磁场，继续向前运动，于是形成了一个被太阳风包围的、彗星状的地球磁场区域，这就是磁层。地球磁层位于地面600～1000公里高处，磁层的外边界叫磁层顶，离地面5～7万公里。在太阳风的压缩下，地球磁力线向背着太阳一面的空间延伸得很远，形成一条长长的尾巴，称为磁尾。在磁赤道附近，有一个特殊的界面，在界面两边，磁力线突然改变方向，此界面称为中性片。中性片上的磁场强度微乎其微，厚度大约有1000公里。中性片将磁尾部分成两部分：北面的磁力线向着地球，南面的磁力线离开地球。

图2 地球磁层的形成

从太阳上发出的以太阳风形式喷射出来宇宙粒子，原先有地球高空的磁层和电离层的保护而将其屏蔽掉使地球上的生物免受其侵害，当磁场翻转过程中这个保护层没有了，首先是一些低轨道环绕地球的卫星完全暴露在太阳宇宙粒子的打击中，用不了多久就会被完全摧毁，因而人类高科技通信技术，全球定位系统( GPS)都会处于瘫痪状态，依赖于卫星的手机和定位系统多不能用了。其次是许多电力设备,高压电网都会受到太阳宇宙粒子的打击，而遭到致命破坏. 没有电力，全球会处于黑暗之中，对人类生活造成严重的影响。第三，人类和全球生物都处于太阳粒子的直接照射之下，能使生物基因突变，发生癌症的几率会大大增加，对人类的生命造成极大的威胁，另外失去磁场后，鸟类和动物迁徙也会发生困难，可能导致它们大量死亡。

以上观点是一部分科学家的预测和估计，地球磁场翻转后，是否会产生这么严重和毁灭性的的后果呢？也有一些不同的意见，德国慕尼黑大学的赫拉德·勒施等人的研究发现，认为不会发生这样的灾难，而其中的拯救英雄就是太阳风。赫拉德·勒施等人发现，由带电粒子组成的太阳风，将在瞬间建立起一个新磁场。因为太阳风和地球等离子层运动速度相差很大，太阳风将很快在距离地面350公里的高度建立起一个磁保护伞，这个磁保护伞的磁场强度大致与地磁磁场强度一样。它们可以将宇宙中的带电粒子挡在地球大气层外，地球上的生物依然可以不用担心被受打击。国内的专家学者也认为，地磁强度目前确实在减弱，但这并不能说明磁极一定会倒转，磁极倒转时磁场强度是减弱而不是消失，因此对生物的影响有限。

他们提出，地球磁场翻转几千万年来已发生了一百多次，没有证据表明磁场翻转后，使地球上所有生物灭绝的证据，磁场翻转并非是地球生命的终结，前几年有些鼓吹地球末日的论点，已不攻自破。对于地球磁场翻转的问题，相信随着时间的推移，科学技术的进步，会逐步更好地搞清楚和解决。