气候变化和地磁翻转的关系初探

气候变化和地磁翻转的关系初探

杨学祥,杨冬红

近年来全球各地的密集地震引发了人类的恐慌,甚至出现了“小冰河期”即将到来的预言。台湾淡江大学教授林中斌则认为发生这一系列灾难的根本原因是由于地磁引起的。他认为目前地球的磁极的确在弱化,处于“磁极翻转”的雏形阶段。地磁和灾害究竟有何关系,这应该是我们必须研究清楚的重要问题。

1 引言

按照科学家计算,平均每20万年,地球“磁极​​翻转”一次,上次“磁极翻转”是78万年前,因此许多人认为,地磁再翻转早已到期。而多年来的研究资料显示,从1831年到2005年,磁北极向西北几乎成一条直线的移动了1100公里。在1995年之后,磁北极已离开加拿大陆地进入北极海,而且速度逐渐加快已达每年60公里以上。科学家估计,如果方向和速度不变,磁北极将在2050年左右到达俄罗斯的西伯利亚。

林中斌教授首先承认了地磁的急剧变化:“全球磁场二千年以来持续减弱,而最近150多年地磁强度下降10-15%,更为明显。此外,最近150多年来,南大西洋出现地磁异常区。其范围目前在扩大,其磁场比别处弱达35%,甚至因此产生南北磁极局部翻转。”

林教授认为近年来地球发生诸如海地地震、日本地震等灾难性事件和地磁的弱化是有一定关系的。他说道:“在磁北极滑动的同时,地球磁场也在弱化,这可能是地球近来许多灾变和异常现象深层的原因。”当然,他还表示,全球磁变也可能和太阳系与其在宇宙的运行有关,也可能引起地壳不稳定等其他的效应,但尚有待后续探讨。

首先,对于地球早已应该进入“磁极翻转”期的说法,林教授并不认可。他表示,平均每20万年,地球“磁极​​翻转”一次的归纳结果,只适用于在最近的4千2百万年。再往以前推,地质记录显示并非全然如此。例如,5千4百万年之前,有一段4百万年的时间里,“磁极翻转”了10次,平均每40万年一次,而非20万年一次。

同时,林教授指出,目前地磁最有可能出于磁极飘移的状态,他说道:“目前地球的地磁可能出于飘移的状态,属于正常现象,在最近的78万年以来,磁极虽未翻转,但是飘移的次数至少有12次。”

林中斌教授指出,全球磁变可能受地球以外因素的影响。科学家公认地球磁场直接来自地球液状外核,间接来自地球液状外核和固状内核在地球自转下相互的作用。但是,科学家实体模拟实验中发现,地球磁场可能有一个更间接的来源,在地球之外。也就是说,只有地球自转,液状外核,和固状内核的条件,尚不足以造成地球磁场。需要有一个在地球外部的磁力来源引发以上作用。这个启示把接下来的探询导向太空。如果地磁最终来源在地球以外,那么全球磁变也可能和太阳系与其在宇宙的运行有关[1]。

2 地磁场的形成和地磁翻转的原因

要想了解磁场减弱的原因,得先了解地球磁场是如何产生的。由于地球内部有巨大的绕核环形电流,所以产生出强大的地球磁场。液态外核的存在是地球磁场的热能条件,圈层差异旋转式地球磁场的动能条件,二者缺一不可。

我们都知道地球内部圈层由外向内分为地壳、上地幔、下地幔、外核和内核,其中内核由固态的铁组成,外核是黏滞性很低的导电液态铁;同时地球又受天体引力的作用自转速度不断减慢。地球各圈层成分的不同,是重力分异造成的,重物质在下沉过程中加快了内核的自转速度,形成了不同全层旋转速度的差异[2]。内核的高温状态和巨大压力使电子游离出来集中在核幔边界,内核和地幔的差异旋转使在外核尤其是内外核交界处的自由电子相对内核自转减速,相对地幔自转加速,产生强大的环形电流,从而生成了地磁场。

从初始状态上来说,重力分异使内核转动的速度大于外壳及地幔,此时产生的磁场,磁北极在地理南极附近,磁南极在地理北极附近,我们称之为地磁正向期。但是这种情况并不能长久地保持下去,会发生变化,因为地核与地幔进行角动量交换,其结果就是内核自转角速度逐渐减小,地幔的自转角速度变大,两者速度差异逐渐较少,电流环绕速度也随之减慢,磁场强度变小。当核幔旋转速度趋于一致,绕核环形电流消失,地磁场随之也消失。

地球表面的质量大规模迁移会改变地壳和地幔的转动惯量,导致地壳和地幔相对液核(即外核)旋转速度的改变,使液核表面的环形电流相对地壳和地幔旋转的方向发生改变,从而能改变地磁场的极性变化。地球在大冰川期有100-200米厚的海水层变为两级冰盖,地壳 和地幔转动惯量变小,旋转变快(就像滑冰运动员收缩手臂快速旋转一样),这时地幔和地壳的自转角速度不断增大,于是出现了地幔自转角速度大于环形电流自转角速度的情形,这时,在地球表面就会感受到来自环形电流逆地球自转方向旋转的电场效应,简单的理解就是,以地壳为不动基准的话,液核表面的环形电流就是反转(即液核自转慢,地幔自转快),那么磁场极性也相应反转,形成的地磁北极在地理北极附近,磁南极在地理南极附近,我们称之为地磁反向期。这就是说,大冰期对应地磁反向。在地球的温暖期,两级冰盖融化导致海水流向赤道,地壳和地幔转动惯量增大,自转变慢(就像滑冰运动员伸展手臂减慢旋转一样),液核的转速又会相对地幔自转加速,环形电流也逐渐加快,重新恢复到地磁正向期。所以说,地幔与地核间的相对转动速度的变化,引发地球磁场磁极发生反转[3]。

3 地磁减弱和灾害频发的关系

近来频繁发生的地震加强了人们对地震产生的原因的认识,地球内部积聚的能量急剧释放是地震产生的根本原因。

能量从何而来?主要来自地球内部圈层的差异旋转。当地球各差异旋转的圈层发生角动量交换时,地核和地幔的转动速度差异缩小,电流场环绕减慢,磁场强度变小,动能也变小。由能量守恒原理,减少的动能转化为等量的热能,热能积累在地核与地幔的边界,造成热膨胀,热膨胀使地核、地幔边界的热物质涌动,往地表上升,称为热幔柱,在地壳薄弱的地方喷涌而出,就形成了众所周知的火山爆发和地震活动,同时推动地壳圈层不同区域的构造运动。因此地震活动加剧和地磁减弱同时发生。

地球磁场变化并不能说是地震的主因,但两者有关联的,一方面,地球磁场变化并不一定引发地震,但地震往往会伴随有地磁的变化,特别是局部的。另一方面,地球磁场变化会影响地质运动,对地震有一定的促发作用。

地球磁场的一个重要功能就是抵御太阳的粒子流即太阳风侵袭,如果迅速减弱,太阳的粒子流会更多地进入地球大气层后消耗了两极的臭氧,并与臭氧结合成水,进而破坏极地臭氧层。目前,美国科学家已经证实了这点。地磁层的减弱和臭氧层的破坏使更多太阳辐射热量进入地球,增强气候的暖化,而热量首先要集中进入的两极地区,北极和南极大陆边缘的海冰因此会大量融化,大洋中的海水增加,当洋壳由于海水增加、压力加大而下降,会压迫洋壳下软流物质向大陆运动,使大陆边缘上升;反之,当某地洋壳由于海水减少而上升时,大陆下软流物质向洋壳运动,使陆缘下降。整个地球板块就像玩跷跷板一样,会促使地震发生,并使地震带集中在海陆交界的地区[3-5]。

4 相关证据和研究结论

古地磁记录表明,在前寒武纪末至中寒武世的寒冷期,地磁场以负极性为主,在中寒武世至中泥盆世温暖期,地磁场以正极性为主,在中泥盆世之二叠纪末寒冷期,地磁场以负极性为主;在二叠纪末至白垩纪末温暖期,地磁场以正极性为主;在白垩纪末至今,地磁场以负极性为主。除2-3亿年的大冰期和温暖期的变化周期外,地球还存在10万年为周期的冰期和间冰期的气候变化,对地磁极性变化也有影响。15-17世纪小冰期过后,近几百年来的全球变暖是地磁减弱的主要原因。

通过对古地磁的研究,科学家推断,在过去的7500万年中,地球磁场的方向至少倒转170次,平均每隔45万年倒转一次。上一次倒转发生在75万年前,再上一次倒转发生在175万年前。这就是说,175万年前至75万年前地磁处于正向,75万年前至现在地磁处于反向。由此我们可以看出磁极反转在很长的时间尺度上发生的,每次反转的时间跨度是不定的。

由于冰盖规模的不同,产生地壳和地幔转动惯量减少的规模也不同。大冰期和温暖期的转变一定会发生地磁极性反转,冰期和间冰期只能影响地磁变化,是否翻转不确定。如果全球变暖速度加快,结束第四纪大冰期,进入温暖期,地磁翻转就成为必然;如果形成较大规模的全球变暖,但未结束第四纪冰期,也能形成地磁翻转,如果全球变暖规模小于75万年那一次,就不会形成地磁翻转。

根据目前的一些资料来看,第四纪冰期处于地磁反向,现在仍处于这一状态,改变这一状态的因素就是全球变暖。近百年的全球变暖导致的冰盖融化使地壳和地幔的转动惯量加大,自转变慢,但液核的转动在逐渐加快,与地幔转速又要趋于一致,此时环形电流与地慢的速度差减少,磁场强度变小,当最终一致并“超越”地幔转速的时候,地磁就会反转——磁北极在地理南极附近,南极在地理北极附近。

地磁变化还与外核旋转热涡流密切相关,根据人造卫星过去20年录得的磁场变化数据,发现在地下深层产生地球引力的熔流,在接近南北极位置出现巨大旋涡,并以加强磁场逆转的方向转动(由全球变暖导致的地壳和地幔的转动惯量增大和自转变慢引起),因而削弱现有磁场,可能会导致两极易位。磁场衰减是翻转过程中的一种现象,目前有些地区地磁场的强度确实有下降的趋势,但是否意味着磁场的强度还会持续降低,是否意味着地磁将要在未来千百年的尺度内翻转,还缺乏充分的证据,没有定论,仅仅是高度怀疑,需要继续观测和深入研究。

有一个结论是非常明确的:全球变暖时期对应地磁正向期或地磁反向减弱期,全球变冷对应地磁反向期或地磁正向减弱期。目前处于地磁反向期。全球变暖使地磁场减弱。

参考文献

1. 磁极弱化或是地震主因 “翻转说”引末日恐慌。2011年03月15日07:05科学网

2. 杨学祥, 陈殿友. 地核的动力作用. 地球物理学进展. 1996,11(1):68-74.

3. 杨学祥, 牛树银, 陈殿友. 深部物质与深部过程. 地学前缘. 1998, 5(3):77-85.

4. 杨学祥. 地壳均衡与海平面变化. 地球科学进展. 1992, 7(5): 22-29.

5. 杨学祥. 地磁层和大气层漏能效应. 中国学术期刊文摘, 1999, 5(9):1170~1171

6. 杨学祥, 陈殿友. 构造形变、气象灾害与地球轨道的关系. 地壳形变与地震,2000,20(3):39~48

7. 杨学祥. 全球变暖、构造运动与沙漠化. 地壳形变与地震. 2001, 21(1):15~23

8. 杨学祥, 陈殿友. 地球差异旋转动力学, 长春:吉林大学出版社,1998

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