地球磁場變化的速度有多快一直是個謎。 Andrey副總裁/ Shutterstock
在我們的腳下3,000公里以下的液態鐵心中產生的地球磁場對於地球生命至關重要。 它延伸到太空，用電磁毯包裹著我們，該毯子屏蔽了大氣和衛星免受太陽輻射。
然而磁場是 不斷變化 無論是在強度還是方向上，過去都經歷了一些戲劇性的轉變。 這包括 神秘的磁極反轉，南極變成北極，反之亦然。
一個長期存在的問題是該領域的變化速度有多快。 我們的新研究， 發表於Nature Communications，已經揭曉了一些答案。
磁場的快速變化引起了人們的極大興趣，因為它們代表了液態核心中鐵水海洋最極端的行為。 通過將觀察到的變化與核心過程聯繫起來，我們可以了解有關地球上無法到達的區域的重要信息。
從歷史上看，地球磁場變化最快的是 與逆轉相關，每百萬年以不規則的間隔發生幾次。 但我們發現現場變化比任何與實際逆轉相關的數據都要快得多、更新得多。
磁力反轉。 美國宇航局
如今，衛星有助於監測空間和時間上的變化，並輔以導航記錄和地面觀測站。 這些信息表明，現代領域的變化相當巨大，每年大約十分之一度。 但是，雖然我們知道這個領域已經存在 至少 3.5 億年，我們對其 400 年前之前的行為知之甚少。
為了追踪這個古老的磁場，科學家們分析了沉積物、熔岩流和人造文物記錄的磁性。 這是因為這些材料含有微觀磁性顆粒，記錄了它們冷卻（對於熔岩）或添加到陸地（對於沉積物）時地球磁場的特徵。 近 800,000 萬年前最後一次極性反轉時意大利中部的沉積物記錄 表明相對較快的場變化 每年達到一個學位。
然而，此類測量極具挑戰性，其結果 仍在辯論中。 例如，沉積物獲得磁性的過程存在不確定性。
改進的測量
我們的研究採用了不同的方法，使用基於場生成過程物理學的計算機模型。 這與最近發表的對過去 100,000 萬年地球磁場全球變化的重建相結合，該重建基於沉積物、熔岩和人工製品的測量數據彙編。
這表明地球磁場方向的變化速度達到每年十度——比目前報導的最快變化速度快十倍。
觀測到的地磁場方向最快的變化發生在大約 39,000 年前。 這種轉變與中美洲西海岸附近有限區域的局部弱磁場有關。 此次活動緊隨全球“拉尚遊覽” – 大約 41,000 年前地球磁場的“失敗逆轉”，其中磁極在返回之前短暫地遠離地理極點。
最快的變化似乎與磁場的局部減弱有關。 我們的模型表明這是由強磁場斑塊穿過液核表面的運動引起的。 這些斑塊在低緯度地區更為普遍，這表明未來對方向快速變化的搜索應集中在這些地區。
社會影響
磁場的變化（例如反轉）可能不會對生命構成威脅。 人類確實成功地度過了戲劇性的拉尚之旅。 如今，威脅主要源於我們對電子基礎設施的依賴。 由磁場和入射太陽輻射之間的相互作用引起的地磁風暴等空間天氣事件可能會擾亂衛星通信、全球定位系統和電網。
這是令人不安的——太空天氣事件導緻美國電網崩潰的經濟成本 已估計為 大約一萬億美元。 這種威脅嚴重到足以使太空天氣成為一種威脅 高度優先 在英國國家風險登記冊上。
太空天氣事件往往在磁場較弱的地區更為普遍——我們知道，當磁場快速變化時，就會發生這種情況。 不幸的是，計算機模擬表明，場強開始減弱後會出現方向變化，這意味著我們無法僅通過監測場方向來預測場強的下降。 未來使用更先進的模擬的工作可以進一步闡明這個問題。
磁場是否即將發生另一次快速變化？ 這很難回答。 最快的變化也是最罕見的事件：例如，圍繞拉尚遊覽發現的變化比過去 100,000 萬年中發生的任何其他變化快兩倍多。
這使得科學家很難預測快速的變化——它們是出人意料且影響巨大的“黑天鵝事件”。 一種可能的前進方向是使用基於物理的模型來預測場的行為。
關於地球磁場的“速度極限”，我們還有很多東西需要了解。 在極性反轉期間尚未直接觀察到快速變化，但應該可以預料到這種變化，因為人們認為此時磁場在全球範圍內變得較弱。
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克里斯托弗·戴維斯，副教授， 利茲大學
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