WhosYoDaddy
2020-10-04T18:23:20+00:00
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听说最近有消息传言“地磁场出现凹痕”、“被撕裂成两块”、“磁极要倒转了”？？？
emmmmmm……
吓得我赶紧读一点文献压压惊。
所以地磁场最近究竟发生了什么变化？
[简单明了的回答：
并没有所谓的“撕裂”和重大变化。当前地球磁场强度(准确说，是偶极磁场分量)的确有所下降，但完全在正常变化范围内。现在仍没有磁极倒转即将发生的直接证据。]
—— 全文终(伪)——
(喂客官请留步！确定不暂留看下瞭望台小店的解说么？)
要了解这个现象，我们必须首先了解地磁场的形成和基本特征。
(1)地磁场的形成
目前主流观点认为，地磁场是由地球内部过程激发，其中液态的铁镍质外核，以及外核内部与外核-地幔间的对流过程，对磁场形成起到了重要作用；而地球自转和科氏力，在其中也扮演了重要角色——稳定状态下，地磁极与地理南北极较为接近，是支持这一观点的有力证据。
在这些内容基础上，已提出了多种地磁场建立的假说，其中认可度最高的是“发电机理论”，即认为外核内微弱的初始磁场，在液态环境下产生感应电流并形成新的磁场叠加，最终加强到一个稳态。而维持这个磁场的能源，可能来自内外核差速旋转和放射性元素衰变产生的热能。
不过，由于当前对地球内部的直接探测难以实现，这些假说尚无法被直观证实，也各有一定不足。
(2)地磁场是什么结构？
在中学课本里提到过，地磁场是一个具有两个磁极的偶极结构，有些类似一块球形磁铁，其中两个磁极位于地球地理两极附近。
而实际上，这是地磁场里最主要的一个分量，但非全部。
实际的地磁场远较上文所述复杂，非常不均匀。为了方便研究，我们假定实际的地磁场是多个“较规则磁场”的叠加，此时在空间上，可以将整个地磁场进行球谐函数展开，得到众多的地磁场分量(图1)。
其中最主要的，当然是多数人所熟知的偶极分量，占地磁场总磁感应强度的近90%，其中磁极位于南北极附近，两极连线穿过地心；同时，也有其他强度和空间范围较小，但形式更复杂、更不规则的磁场分量。后者造成了实际地磁场看上去“不规则”的分布，其中相对规则地磁场强度偏低最显著的区域，正是近期不少文章提到的“南大西洋异常区”(South Atlantic Anomaly，SAA，参见图2)。它位于南回归线附近的副热带南大西洋，向东西两侧扩展到巴西南部和非洲大陆南部等地。
分量最大的对称偶极磁场，和全球范围的外核与核幔边界对流运动有关。那这些局地的不规则磁场的呢？当前的主流观点认为，这也相应地反映出了这个区域地球内部的构造运动，如局地核幔对流的影响。
上面介绍的是地磁场在空间上的分布。如果再加上时间维度，就可以发现，地磁场这一的空间分布也是在随时间变化。最突出的特征，包括各地磁场强度(准确说是总地磁感应强度)的变化，以及磁极的移动。
(3)所以，当前地磁场究竟发生了什么？
在今年，一个经过更新的世界磁场模型(World Magnetic Model，WMM)被正式发布，这是根据过往数年至今的地磁场观测基础上得出，能较为准确地反映出当前的地磁场特征，每五年例行更新(下次为2025年)。之前反映SAA的图2，正是由这个模型数据制作得出；近期各种严谨的解读，和不严谨甚至无凭据的流传，也都出自此。
除了当前的地磁场特征外，模型还给出了过去五年内，地磁场参量，如磁场总强度，磁偏角和各方向分量强度的变化。
其中，总强度的变化比较受到关注。图3给出的过去五年总磁场强度变化图中可以看到，全球磁场强度变化相当不均匀对称，表明这主要是分量较小的不对称、局地磁场发生了变化；而在SAA区域，可以看到有两个负变化率(减小)较大地区，分别位于南美洲(最大值在西海岸附近的东南太平洋)和好望角西侧的东南大西洋，而热带南大西洋则出现了正变化率(增强)。这导致看上去，庞大的SAA偏低区分别在南美一侧和靠近非洲大陆一侧，因为显著的减弱，各出现了一个磁场强度低值中心，在等值线图上形成了所谓的“两个凹痕”和“断裂”。
这个变化速率完全处在正常范围内。至于为什么出现了这样不规则的变化，目前只能猜测为当地深处的核幔对流等发生明显变化。
SAA并不会对南美和南大西洋当地表面造成实质影响。但由于磁场偏弱，当地磁层顶也相对较薄，对于经过这一区域上空的人造卫星而言，会更容易受到太阳高能粒子影响而干扰工作，这一点需要注意。
(4)那传说中的“地磁倒转”又是什么？是否会在近期发生？又会造成什么影响？
地磁倒转，在地质历史时期上也的确发生过多次，表现为地磁场极性在一段时间内的稳定(通常为数十万年至上百万年)后，发生急剧变化和方向倒置(图4)。地磁倒转不代表整个地磁场的消失，但届时，最主要的偶极对称分量将显著减弱，同时其他不规则分量也相当混乱，导致总体的地磁场强度大幅减弱；直到偶极磁极倒转完毕，建立反方向的新磁场后，总磁感应强度才会逐渐上升。这一完整的过程，通常认为会持续上千年(图5)。
在磁极倒转过程中，由于地磁场强度很弱，对来自太阳与太阳系外的高能粒子流的“阻挡”减弱，使得这些高能粒子将对近地空间和大气层上部有更大影响。如果在现代发生这一现象，首先会对同步轨道及以内的人造卫星，和国际空间站宇航员有直接影响；而平流层内飞行的飞机也可能会受到相对增强的辐射量，同时位于平流层内的臭氧层也可能受到更强的高能粒子流影响，而容易被破坏。至于到达地表的高能粒子，并不会明显增多(大部分被高层大气吸收)，但这些高能粒子对高层大气的凝结核形成，以及全球云量方面也会有一定影响，可能会间接地改变地球气候。
当前对磁极倒转即将开始的猜测，来自于观测与代用资料分析，所得到的最近数百年地磁场显著减弱趋势(图6)，这被认为是磁极倒转前的特征之一；此外，当前的布容正向期已经持续了78万年之久，这与近500万年来各稳定期总长度接近，表明稳定期可能要“结束”了。
而在最近，SAA这一局地磁场强度显著偏低区的磁场进一步减弱，被认为和当地内部的核幔对流与地幔柱活动有关，而这被部分观点认为是发生磁极倒转的前兆(De Santis，2007，2008)。
然而即使保持目前的衰减速率，距离地磁场真正倒转发生的强度阈值，还需要 近1000 年。然而地磁场变化相当不均匀，我们还无法确定未来地磁场会继续稳定减弱，[因此我们也根本无法回答在未来的 1000 年内地磁场是否会发生倒转]。
实际上，不少研究认为，虽然地磁场强度在衰减，但是目前其值，仍高于布容正向期(过去78万年至今)地磁场强度的平均值；更多的观点倾向于，至少在数十年的尺度内，发生地磁倒转的概率不大。当然，需要进一步观测与后续理论的发展，才能更好地解答这个问题。
我们现在能进入地球外的空间，但只能对脚下的大地看到皮毛微毫。希望未来，我们对地球内部的观测有进一步提升，并在此基础上有更完善的理论假说，进一步了解地磁场，以及这个永远的家园。
主要参考资料：
NASA(美国航天局)报道：[url]//url.not.available/[/url]
ESA(欧洲航天局)报道：[url]//url.not.available/[/url]
NGDC(美国国家地球物理资料中心)关于地磁场的Q&A：[url]//url.not.available/[/url]
De Santis, A., Qamili, E. (2010) Equivalent Monopole Source of the Geomagnetic South Atlantic Anomaly. Pure Appl. Geophys. 167, 339347 . 链接： [url]//url.not.available/[/url]
Pavón-Carrasco F.J., and De Santis A. (2016) The South Atlantic Anomaly: The Key for a Possible Geomagnetic Reversal. Front. Earth Sci. 4:40. 链接: [url]//url.not.available/[/url]
图片说明：
图1：球谐函数展开得到的地磁场多个复杂分量模型，图片来源：维基百科
图2：2020年全球磁场模型(WMM)，各地地表总磁场强度分布(填色)，单位：纳特(nT)。地磁场强度范围为20000-65000nT。蓝色的南大西洋异常区(SAA)非常显著。图片来源：[url]//url.not.available/[/url]
图3：2020WMM，各地地表总磁场强度年变化率分布，红色为当地总磁场强度增强，蓝色代表减弱。图片来源：[url]//url.not.available/[/url]
图4：近500万年来地磁场磁极方向的变化，纵轴为距当前时间(最上端为现在)，黑色是与当前磁极方向同向期，白色是反向期。图片来源同图1。
图5：地球磁场稳定期(左)与倒转期(右)的磁感线分布。图片来源：美国国家宇航局(NASA)。
图6：1600年以来，地磁场内最重要的对称偶极子磁场分量的磁感应强度变化。图片来源同图1。
听说最近有消息传言“地磁场出现凹痕”、“被撕裂成两块”、“磁极要倒转了”？？？
emmmmmm……
吓得我赶紧读一点文献压压惊。
所以地磁场最近究竟发生了什么变化？
[简单明了的回答：
并没有所谓的“撕裂”和重大变化。当前地球磁场强度(准确说，是偶极磁场分量)的确有所下降，但完全在正常变化范围内。现在仍没有磁极倒转即将发生的直接证据。]
—— 全文终(伪)——
(喂客官请留步！确定不暂留看下瞭望台小店的解说么？)
要了解这个现象，我们必须首先了解地磁场的形成和基本特征。
(1)地磁场的形成
目前主流观点认为，地磁场是由地球内部过程激发，其中液态的铁镍质外核，以及外核内部与外核-地幔间的对流过程，对磁场形成起到了重要作用；而地球自转和科氏力，在其中也扮演了重要角色——稳定状态下，地磁极与地理南北极较为接近，是支持这一观点的有力证据。
在这些内容基础上，已提出了多种地磁场建立的假说，其中认可度最高的是“发电机理论”，即认为外核内微弱的初始磁场，在液态环境下产生感应电流并形成新的磁场叠加，最终加强到一个稳态。而维持这个磁场的能源，可能来自内外核差速旋转和放射性元素衰变产生的热能。
不过，由于当前对地球内部的直接探测难以实现，这些假说尚无法被直观证实，也各有一定不足。
(2)地磁场是什么结构？
在中学课本里提到过，地磁场是一个具有两个磁极的偶极结构，有些类似一块球形磁铁，其中两个磁极位于地球地理两极附近。
而实际上，这是地磁场里最主要的一个分量，但非全部。
实际的地磁场远较上文所述复杂，非常不均匀。为了方便研究，我们假定实际的地磁场是多个“较规则磁场”的叠加，此时在空间上，可以将整个地磁场进行球谐函数展开，得到众多的地磁场分量(图1)。
其中最主要的，当然是多数人所熟知的偶极分量，占地磁场总磁感应强度的近90%，其中磁极位于南北极附近，两极连线穿过地心；同时，也有其他强度和空间范围较小，但形式更复杂、更不规则的磁场分量。后者造成了实际地磁场看上去“不规则”的分布，其中相对规则地磁场强度偏低最显著的区域，正是近期不少文章提到的“南大西洋异常区”(South Atlantic Anomaly，SAA，参见图2)。它位于南回归线附近的副热带南大西洋，向东西两侧扩展到巴西南部和非洲大陆南部等地。
分量最大的对称偶极磁场，和全球范围的外核与核幔边界对流运动有关。那这些局地的不规则磁场的呢？当前的主流观点认为，这也相应地反映出了这个区域地球内部的构造运动，如局地核幔对流的影响。
上面介绍的是地磁场在空间上的分布。如果再加上时间维度，就可以发现，地磁场这一的空间分布也是在随时间变化。最突出的特征，包括各地磁场强度(准确说是总地磁感应强度)的变化，以及磁极的移动。
(3)所以，当前地磁场究竟发生了什么？
在今年，一个经过更新的世界磁场模型(World Magnetic Model，WMM)被正式发布，这是根据过往数年至今的地磁场观测基础上得出，能较为准确地反映出当前的地磁场特征，每五年例行更新(下次为2025年)。之前反映SAA的图2，正是由这个模型数据制作得出；近期各种严谨的解读，和不严谨甚至无凭据的流传，也都出自此。
除了当前的地磁场特征外，模型还给出了过去五年内，地磁场参量，如磁场总强度，磁偏角和各方向分量强度的变化。
其中，总强度的变化比较受到关注。图3给出的过去五年总磁场强度变化图中可以看到，全球磁场强度变化相当不均匀对称，表明这主要是分量较小的不对称、局地磁场发生了变化；而在SAA区域，可以看到有两个负变化率(减小)较大地区，分别位于南美洲(最大值在西海岸附近的东南太平洋)和好望角西侧的东南大西洋，而热带南大西洋则出现了正变化率(增强)。这导致看上去，庞大的SAA偏低区分别在南美一侧和靠近非洲大陆一侧，因为显著的减弱，各出现了一个磁场强度低值中心，在等值线图上形成了所谓的“两个凹痕”和“断裂”。
这个变化速率完全处在正常范围内。至于为什么出现了这样不规则的变化，目前只能猜测为当地深处的核幔对流等发生明显变化。
SAA并不会对南美和南大西洋当地表面造成实质影响。但由于磁场偏弱，当地磁层顶也相对较薄，对于经过这一区域上空的人造卫星而言，会更容易受到太阳高能粒子影响而干扰工作，这一点需要注意。
(4)那传说中的“地磁倒转”又是什么？是否会在近期发生？又会造成什么影响？
地磁倒转，在地质历史时期上也的确发生过多次，表现为地磁场极性在一段时间内的稳定(通常为数十万年至上百万年)后，发生急剧变化和方向倒置(图4)。地磁倒转不代表整个地磁场的消失，但届时，最主要的偶极对称分量将显著减弱，同时其他不规则分量也相当混乱，导致总体的地磁场强度大幅减弱；直到偶极磁极倒转完毕，建立反方向的新磁场后，总磁感应强度才会逐渐上升。这一完整的过程，通常认为会持续上千年(图5)。
在磁极倒转过程中，由于地磁场强度很弱，对来自太阳与太阳系外的高能粒子流的“阻挡”减弱，使得这些高能粒子将对近地空间和大气层上部有更大影响。如果在现代发生这一现象，首先会对同步轨道及以内的人造卫星，和国际空间站宇航员有直接影响；而平流层内飞行的飞机也可能会受到相对增强的辐射量，同时位于平流层内的臭氧层也可能受到更强的高能粒子流影响，而容易被破坏。至于到达地表的高能粒子，并不会明显增多(大部分被高层大气吸收)，但这些高能粒子对高层大气的凝结核形成，以及全球云量方面也会有一定影响，可能会间接地改变地球气候。
当前对磁极倒转即将开始的猜测，来自于观测与代用资料分析，所得到的最近数百年地磁场显著减弱趋势(图6)，这被认为是磁极倒转前的特征之一；此外，当前的布容正向期已经持续了78万年之久，这与近500万年来各稳定期总长度接近，表明稳定期可能要“结束”了。
而在最近，SAA这一局地磁场强度显著偏低区的磁场进一步减弱，被认为和当地内部的核幔对流与地幔柱活动有关，而这被部分观点认为是发生磁极倒转的前兆(De Santis，2007，2008)。
然而即使保持目前的衰减速率，距离地磁场真正倒转发生的强度阈值，还需要 近1000 年。然而地磁场变化相当不均匀，我们还无法确定未来地磁场会继续稳定减弱，[因此我们也根本无法回答在未来的 1000 年内地磁场是否会发生倒转]。
实际上，不少研究认为，虽然地磁场强度在衰减，但是目前其值，仍高于布容正向期(过去78万年至今)地磁场强度的平均值；更多的观点倾向于，至少在数十年的尺度内，发生地磁倒转的概率不大。当然，需要进一步观测与后续理论的发展，才能更好地解答这个问题。
我们现在能进入地球外的空间，但只能对脚下的大地看到皮毛微毫。希望未来，我们对地球内部的观测有进一步提升，并在此基础上有更完善的理论假说，进一步了解地磁场，以及这个永远的家园。
主要参考资料：
NASA(美国航天局)报道：[url]//url.not.available/[/url]
ESA(欧洲航天局)报道：[url]//url.not.available/[/url]
NGDC(美国国家地球物理资料中心)关于地磁场的Q&A：[url]//url.not.available/[/url]
De Santis, A., Qamili, E. (2010) Equivalent Monopole Source of the Geomagnetic South Atlantic Anomaly. Pure Appl. Geophys. 167, 339347 . 链接： [url]//url.not.available/[/url]
Pavón-Carrasco F.J., and De Santis A. (2016) The South Atlantic Anomaly: The Key for a Possible Geomagnetic Reversal. Front. Earth Sci. 4:40. 链接: [url]//url.not.available/[/url]
图片说明：
图1：球谐函数展开得到的地磁场多个复杂分量模型，图片来源：维基百科
图2：2020年全球磁场模型(WMM)，各地地表总磁场强度分布(填色)，单位：纳特(nT)。地磁场强度范围为20000-65000nT。蓝色的南大西洋异常区(SAA)非常显著。图片来源：[url]//url.not.available/[/url]
图3：2020WMM，各地地表总磁场强度年变化率分布，红色为当地总磁场强度增强，蓝色代表减弱。图片来源：[url]//url.not.available/[/url]
图4：近500万年来地磁场磁极方向的变化，纵轴为距当前时间(最上端为现在)，黑色是与当前磁极方向同向期，白色是反向期。图片来源同图1。
图5：地球磁场稳定期(左)与倒转期(右)的磁感线分布。图片来源：美国国家宇航局(NASA)。
图6：1600年以来，地磁场内最重要的对称偶极子磁场分量的磁感应强度变化。图片来源同图1。