太陽風暴
地球磁極面臨大反轉？
強烈的太陽風暴每隔大約11年就要來一次，不過從百年來的發生情況來看，似乎對我們影響不大，為什麼呢？因為地球有個大盾牌，那就是地球磁場，它消解了絕大部分來自太陽的高能粒子和帶電粒子。然而近期的科學研究表明，地球磁場正在迅速減弱，這是否意味著又一次地球磁極翻轉的開始？ 2012年左右新一輪太陽風暴又要來了，有人預測會來得很猛烈，這個盾牌會在多大程度上保護我們的地球？
地球之「盾」——磁層正迅速變弱
遼寧日報:近來關於太陽風暴的報導引起了人們的關注，比如8月上旬暴發的一次太陽風暴已經到達地球，只是這次強度較小，有科學家預測未來幾年將很強烈，也許會給地球帶來災難性影響，而我們今天討論的就是地球面對太陽風暴的一個重要的自我保護措施——地球磁場，那麼您覺得地球磁場是否能肩負起抗擊未來幾年強烈太陽風暴的重任？
楊學祥:最強烈的太陽風暴源於太陽黑子活動的峰年期。黑子的實質是劇烈活動的呈緊密纏繞狀態的太陽環向磁場，它像拉緊的皮筋，易被扯斷，扯斷之後太陽大氣中的能量會釋放出來，形成耀斑，向太陽系空間發射出大量高速高能粒子和帶電粒子的混合體等，形成強烈的太陽風，我們習慣稱它為「太陽風暴」。這些被拋射出的粒子會到達地球，撞擊地球磁場和大氣層，但絕大部分太陽高能粒子被阻擋在地球磁層之外，僅有少量沿著地球磁力線進入地球。地球磁場的磁力線從南極流向北極，在兩極地區形如漏斗，尖端對著地球的南北兩個磁極，因此粒子流會沿著地磁場這個「漏斗」沉降，一般進入地球的兩極地區，兩極的高層大氣，受到轟擊後會發出光芒，形成極光。地球磁場實際上是對太陽風暴起到了一個屏蔽、抵禦和保護地球的作用。
遼寧日報:看來地球磁場的作用還是很大的。
楊學祥:地球磁場是地球的重要物理場和環境因素之一，展布的空間很大，包圍地球，保護著地球上的生物免受宇宙輻射的傷害，起到「盾」的作用，其中就包括把絕大部分太陽風粒子阻擋在地球之外，對人類的生存和發展起著至關重要的作用。
遼寧日報:人們關注太陽風暴，往往注重其本身的強度，比如通過觀測黑子活動的情況、太陽釋放粒子的密度來判斷太陽風暴的規模，進而分析對地球可能造成的影響，這沒錯，但既然磁場對太陽風暴有一個抵禦的作用，那麼我們就不僅要關注「矛」有多鋒利，還要關注我們的「盾」是否堅硬。
楊學祥:是的，我們一方面要觀察、研究太陽風暴本身，一方面還要考慮地球磁場和大氣的防護能力，兩者綜合起來才能把影響考慮周全。尤其是地球磁場，不但被我們關注得少，而且這個「盾」也並不讓人樂觀，有研究發現，我們的地球磁場正在減弱。
歷史上的磁極反轉都伴隨著磁場異常和強度減弱
遼寧日報:磁場強度在變弱？
楊學祥:科學家的近期研究表明:地球磁場正在迅速減弱。在過去的160年裡，磁場強度令人吃驚地下降了10%。比如丹麥行星科學中心一個研究小組，詳細分析了丹麥「阿斯泰茲」號人造衛星收集的最新資料，在對比新舊數據後驚訝地發現，地球兩極的磁場正在變化，南大西洋和北冰洋的磁場都出現了多個大洞。科學家分析，南大西洋和北冰洋下方的液體金屬地核(外核)可能出現了巨型渦流，從而影響了其上空的磁場。由於巨型渦流的力量足以逆轉其他渦流的方向，因此極有可能令地磁場南北極就此開始大翻(反)轉。另外通過對1980年～2000年的地球磁場研究發現，地球磁場存在很大的地理差異：在亞洲、太平洋地區磁場變化較小，非洲、歐洲和大西洋的變化非常大，變化最大的地區是非洲南端，在這個地區的磁場極性與正常的極性剛好相反。
遼寧日報:這是否預示著出現另一次地磁翻轉的開始？聽說地球歷史上出現過多次「磁極反轉」。
楊學祥:磁極反轉作為地質事件，在地球發展史上曾經出現過，許多國家已經從地質勘測中研究火山岩和沉積物中的金屬粒子所構成的遠古磁場查到了地磁反轉的證據。研究發現，磁場在最近600萬年間發生了三次翻轉，這三次的間隔時間不等，最近的一次翻轉是在70萬年前。所以「翻轉」是在很長的時間尺度上發生的。而地磁場發生逆轉前，磁力急劇減弱，甚至出現零磁場，就是說磁場衰減是翻轉過程中的一種現象。目前有些地區地磁場的強度確實有下降的趨勢，但是否意味著磁場的強度還會持續降低，是否意味著地磁將要在未來千百年的尺度內翻轉，科學家還存在爭議，沒有定論，需要繼續觀測和深入研究，英國的《自然》雜誌和美國的《科學》雜誌近幾年都相繼發表相關的文章對這一現象進行了探討。
遼寧日報:那麼，為什麼會產生地球磁極翻轉或者說倒轉的情況？地球磁場是怎麼產生的？
楊學祥:地球是一個各圈層差異旋轉的分層地球，即地殼、上地幔、下地幔、外核和內核旋轉的角速度不同，其中內核快速旋轉，由固態的鐵組成，外核是黏滯性很低的導電液態鐵；在差異旋轉及各種天體的作用力下，在外核尤其是內外核交界處形成快速旋轉的環形電流，從而生成了地磁場。地核和地幔的差異旋轉導致圈層角動量交換，部分自轉動能通過摩擦轉變為熱能，積累在外核，形成地球內部唯一的液態圈層。與此同時，由於角動量交換，地核旋轉變慢，地幔旋轉變快，圈層差異旋轉方向發生反向變化，導致地球磁極倒轉。所以，地磁變化與外核旋轉熱渦流密切相關。根據人造衛星過去20年錄得的磁場變化數據，發現在地下深層產生地球引力的熔流，在接近南北極位置出現巨大旋渦，並以加強磁場逆轉的方向轉動，因而削弱現有磁場，可能會導致兩極易位。
遼寧日報:地球磁極反轉對地球會產生怎樣的影響？
楊學祥:地磁極反轉首先能引發強烈的構造運動。熱能積累在外核導致地核膨脹，脹裂地幔，核幔邊界的地幔熱流——熱幔柱順勢上升，形成地表巨大火山區。這是中生代溫暖期火山頻發與異常的靜磁帶 (地磁極性長期不變帶)對應的原因。其次，地磁極性反轉會產生一個地磁強度為零的時期。大家知道地球生物曾經發生過大滅絕的現象，比如某些有孔蟲在幾百萬年前之突然全部滅種、中生代恐龍之突然滅絕等，但同時一些其他種類的動物突然出現，比如哺乳動物，這些突變都與地磁反轉在時間上有吻合之處。是否是由於失去地磁的保護，太陽風的高能粒子橫掃地球表面導致生物滅絕？這值得我們研究，特別是零磁場與生物演進的關係。但確切的關係是怎樣的，我們還不清楚，因為目前來說在數據上的證據並不充分。另外，利用現在技術進行模擬實驗研究也沒有可行性，任何一個實驗室都無法完成如此巨大規模的模擬實驗。
磁場減弱將使南北兩極海冰大量融化
遼寧日報:也許發生磁極反轉將在很遙遠的未來，而且磁極反轉的具體影響還未弄清楚，但我們還是要對目前磁場的減弱予以關注，因為要發生強烈的太陽風暴了，地球磁場的減弱是否會對其「抵抗」太陽風暴、保護地球不利？
楊學祥:太陽風暴發生過程中來自太陽的帶電粒子很容易迸入極區產生電離作用，產生極光，引起磁暴和電離層暴，它在地磁場中的運動會產生強大的感應電流，其結果可能導致該地區電網變壓器的銅線快速加熱並融化，電流失去控制，嚴重損壞該地區的電力系統、通訊線路，如果地球磁場強度減弱，捕獲能力就會減弱，那麼發生電離的範圍就會擴大，電網等被損害的範圍可能會隨之加大。
遼寧日報:記得2009年美國科學家在對2012、2013年的太陽風暴預測及報告中提到「美國、加拿大，甚至中國、日本等會出現全國性停電」的情況，按以前發生的太陽風暴來看，不會對中國、日本這樣的總體上屬於中緯度的國家產生太大的影響，但這次他們的預測如此悲觀，是否就是把地磁變化考慮進去了？
楊學祥:因為還沒有看到報告科研方面的原文，所以其具體的預測根據還不得而知，但地磁變化應該成為我們研究這次太陽風暴影響的重要的考慮因素，加以重視。
遼寧日報:在地磁減弱、太陽風暴猛烈的情況下，地球的氣候、天氣是否也會受其影響？
楊學祥:計算機模型的計算結果表明，如果兩個磁極的強度繼續減弱，則來自太陽的粒子流便可能使高達40%的地球高緯度臭氧被破壞，每次的破壞時間將長達數月至一年之久，這也為南北極海冰融化提供了合理的解釋。
遼寧日報:您具體給我們講講。
楊學祥:到達地球的太陽輻射能大約有2%被平流層的臭氧吸收，7%被電離層吸收。當黑子活動高峰發生太陽風暴時，會大量破壞南極臭氧，隨之產生「臭氧洞漏能效應」和「地磁層漏能效應」，使被臭氧層阻隔的2%的太陽能由平流層進入對流層，導致南極平流層變冷對流層變暖。收縮的平流層自轉變快，膨脹的對流層自轉變慢，這是赤道高空風產生的一個原因。拉馬德雷現象就是太平洋上空高速氣流方向轉換的現象，拉馬德雷暖位相增強聖嬰現象事件，拉馬德雷冷位相增強反聖嬰事件，從而影響大氣環流和全球氣候變化。這兩個「漏能效應」也使太陽能量進入兩極，北極和南極大陸邊緣的海冰大量融化，打開南美洲德雷克海峽的海冰開關，減弱秘魯寒流，進一步增強聖嬰現象。與此同時，增高的海洋表面溫度使更多氯元素從海洋進入大氣，使臭氧洞進一步擴大，從而進一步影響氣候，增加災害性天氣發生的機率。地球歷史表明，強地磁場對應地球的寒冷氣候，如第四紀冰期；弱地磁場對應高溫氣候，如中生代的溫暖期。地磁場減弱也是全球變暖的原因之一：地磁場減弱導致更多太陽能量進入地球。
地球磁場本身異常是引起氣候、地質等變化的重要因素
遼寧日報:太陽風暴的各種粒子會干擾地球的磁場，如果非常強烈的話，是否會使地球磁場本身發生較明顯的變動？
楊學祥:太陽風和地磁暴的相關性是明顯的，會引起高層大氣磁活動和環形電流的相應變化。已有研究表明，太陽風與地球磁層頂相互作用，在極區上空的電離層中形成極區電急流。極區電急流通過地球磁力線傳至中低緯度地區的電離層中，擾動電離層，不久之後，會發生災害性天氣。所以，地表和大氣的電磁變化值得關注。
遼寧日報:那麼，地球磁場本身的變化對地球，比如氣候變化、地質變化有無影響？
楊學祥:人們普遍忽視地電和地磁的存在，認為它們很微弱。事實並非如此。一個偶然的機會，我發現一片樹林明顯地向北方傾斜，原來北部有平行的高壓電線，電磁能對樹林而言竟比太陽光更具有吸引力。地磁場的異常變化使地表地電場也發生變化，形成地電正異常區和負異常區。地表水從地電正異常區蒸發到高空，帶的是正電；從地電負異常區蒸發到高空，帶的是負電。帶有異種電荷的雲團最容易相互吸引而形成雷雨。相反，帶有同種電荷的雲團相互排斥，形成該地區的乾旱。冰島、非洲中西部和南大西洋是三個負電異常區，它們之間的地區是明顯的乾旱區，其中就有最乾旱的撒哈拉沙漠；其兩側的北美洲和亞洲是正電異常區，在正、負電異常的交界帶，是高降水量區。當電磁異常區發生變動時，電場的強度和極性也發生相應變化，由此引起的降水量改變導致全球旱澇災害在不同地區發生。
談到地質變化，地磁地電還與地震有密切關係，現在地震觀測的一個重要手段就是對地磁(電)的監測。至於內在的機理，舉個例子，攜帶大量磁性粒子的地下岩漿因為失去地磁的束縛而改變流向和流速，流向的改變將使地球固有板塊的運動規律發生變化，而流速的降低將使岩漿自身的溫度平衡機制遭到破壞，使地球不同部位之間地溫溫差增大，這將會產生地震頻率和強度的增加。
遼寧日報:聽您這麼一說，感覺地球磁場及其變化太重要了，與抵禦太陽風暴、氣候變化、地質災害都有密切的關係，看來我們應該密切注意地球磁場變化以做好各方面的預測、預防。
楊學祥:是的，應該說我們對地球磁場的重視程度及研究水平還很不夠，但是正像你說的那樣，種種跡象和研究表明，地球磁場是地球變化的重要因素，我們必須加強這方面的研究，特別是與太陽風暴關係的研究。近年來，全球地震、乾旱、洪水、高溫等極端氣候的出現，不能排除和地磁減弱的關聯。如果在今後若干年內，這些災害氣候頻率和強度有增加趨勢的話，並且地表測得宇宙射線輻射劑量同步增大，則可以確認這種關聯。
遼寧日報：謝謝您的講解。
專家檔案
楊學祥，吉林大學地球探測科學與技術學院教授。主要從事地球動力學和自然災害研究，發表文章近百篇，出版專著《地球差異旋轉動力學》。主持完成國家自然科學基金資助項目「地球各圈層能量交換過程與全球變化的關係」。 2000年被評為吉林省第六批有突出貢獻的中青年專業技術人才。 2004年和2010年被聘為中國地球物理學會天災預測專業委員會委員。
