新模型揭示地磁场变化速率比预计的快 10 倍

更新日期:2022年06月18日

       北京时间7月15日消息, 在最近的一项新研究中, 科学家通过10万多年的模拟展示了地球磁场的动态变化, 揭示了地球磁场方向的变化比原先预期的要快得多。地磁场起源于地球内部并延伸到太空, 就像一个保护罩, 将地球的大气层保持在适当的位置, 保护生命免受宇宙辐射和太阳风的影响。然而, 平均而言, 地磁场经历了一次地磁反转, 其中磁北极和南极每隔几十万年突然(在地质时间尺度上)交换位置。上一次发生这种情况是在大约 780, 000 年前, 即所谓的布罗尼斯-松树山倒转。在之前的研究中, 科学家估计这个过程需要数千年的时间, 以每年约 1 度的速度变化。
       在这项新研究中, 研究人员指出, 这种地磁场方向的变化可能比以前认为的快 10 倍, 比最近观察到的变化快近 100 倍。当从太阳喷出的日冕物质撞击地球磁场时, 就会产生壮丽的极光。在地球表面以下约 2800 公里处, 地核的液态外核不断流动, 为无形的地磁场提供动力。翻滚的导电岩浆会产生电荷, 这些电荷决定了磁极的位置, 并产生了看不见的磁力线。
       这些磁力线包裹着地球并连接南北磁极。地核与磁场之间的相互作用是复杂的。外核中铁水和镍的对流使某些地方具有极强的磁性, 而另一些则较弱。英国利兹大学地球与环境学院副教授研究的主要作者克里斯托弗戴维斯说, 地球表面的磁场强度会随着时间的推移而变化, 地球核心的不同位置也会发生变化。在熔化的核心中, 流体扭曲并拉伸磁场, 进而推动流体对抗这种扭曲。流体是湍流的, 简单来说, 就像一锅沸水中的水流, 戴维斯说,

所以在核心内部, 流体和磁场之间的相互作用是不同的。
       换句话说, 当液态外核沸腾时, 这种运动会导致地核不同部分的磁力波动,

这决定了这些区域如何影响磁层。今天的科学家们可以看到其中一些相互作用的变化, 例如高纬度地区的强磁场区域;向东或向西漂移的磁信号;以及非洲和南美洲之间的长期存在。弱磁场, 南大西洋异常。几个世纪前, 水手们在航海日志中记录了该地区磁场的变化。卫星和天文台捕捉到了近几十年来的变化。正如之前报道的那样, 近年来的观测表明, 地球磁场的强度在过去 160 年中实际上已经减弱, 这表明地球可能会更早地经历一次地磁逆转。
       尽管如此, 戴维斯指出, 追踪遥远过去的磁场变化比想象的更具挑战性。戴维斯说, 我们知道磁极会翻转, 但仍有很多关于磁场如何在数千年到数百万年中发生变化的信息有待发现。
       在我们的研究中, 我们提出了一个问题:在这些时间尺度上, 磁场改变方向的速度有多快?跟踪流动为了回答这个问题, 戴维斯和研究合著者凯瑟琳康斯特布尔开发了一种新的磁场模型。该模型使用了过去 10 万年的大量磁场观测。戴维斯说,

磁场变化可以体现在海洋沉积物、冷却熔岩流, 甚至人造结构和人工制品中。然而, 就像所有基于地球表面观测的模型一样, 这个模型只能向我们展示核心顶部的磁场;戴维斯补充说, 我们看不到核心内部, 因此我们将这些结果与计算机模拟进行了比较。产生磁场的物理过程结合在一起。最终, 磁场是由地核的运动产生的。戴维斯和康斯特布尔发现, 在磁场减弱的地区, 磁场的方向每年最多可以改变 10 度。这个变化率比模型先前预测的快 10 倍, 比当前观察到的变化率快 100 倍。模拟结果表明, 当熔核区方向反转时, 磁场方向会发生剧烈变化。这种核心反转在赤道附近更为常见, 并且与研究人员在低纬度地区观察到的磁场方向的快速变化相吻合。研究人员在他们的论文中写道, 这一低纬度磁场变化最快的新证据表明, 科学家们未来应该关注这些地区。 “对这些模拟过程中不断变化的动力学进行更深入的研究将为我们提供有用的策略来记录这种快速变化是如何发生的, 并理解这一点, ”康斯特布尔说。这种变化是否也发生在像我们今天这样的磁极稳定时期。该研究结果于 7 月 6 日在线发表在《自然通讯》杂志上。

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