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[自然科学] 地球磁场即将反转(3)
在过去1亿5000万年间,地球的磁极以不同频率反转了数百次。科学家经由研究磁性矿物而发现这些反转事件。当岩石受热,其中的磁性矿物会顺应地球磁场而排列,因此矿物能保存岩石冷却时的地磁方向。

其他研究团队分析了磁场卫星和厄斯特卫星观测的分布图,发现可能引发磁极反转的变动迹象。余洛(Gauthier Hulot)和他在法国巴黎地球物理研究院的同事注意到,地球磁场的持续变异,是来自地核–地函交界面上某些磁通量方向与整个半球相反的区域。这些所谓的反向通量斑块(reversed flux patch)中,最大的一块由非洲南端下向西延伸至南美洲南端下方。在这个斑块里,磁通量向内进入地核,然而南半球大部份磁通量是指向外的。

斑块的产生
研究人员比较了最近由厄斯特卫星观测到的磁场以及1980年的观测结果。所得到最重要的结论之一,是新的斑块持续在北美东岸及南极等地区下的地核–地函交界处形成。更重要的是,较老的斑块面积扩大了且略向两极方向靠近。1980年代晚期,英国里兹大学的加宾斯(David Gubbins)研究较老旧、粗略的磁场图,发现反向通量斑块的增加、扩张和往两极移动,可解释磁偶极随时间减弱的情形。

这些观测结果可以利用磁力线的概念解释(实际上,磁场在空间中是连续的)。我们可以想像,这些磁力线「冻结」在液态铁核中而随之运动,就像是在水杯中的颜料线条被搅动时的样子。在地核中由于科氏力效应,流体中的涡流将磁力线扭结成团,看起来就像一团团的义大利面条。这样的纠结把更多的磁力线压缩在地核内,因而增加了磁场的能量。(如果这个过程不受抑制的话,磁场会无限制的增强。但是电阻会减弱、缓和磁力线的扭转,适当阻止了磁场无限制的增强,但又不会破坏地球发电机的运作。)

具有强大磁通量的斑块,不论方向是正是反,都是涡旋与地核内部的东–西向环状磁场交互作用时,在地核–地函交界面上所形成。这些乱流般的流体运动可以把环状的磁力线弯曲、扭转成小圈,形成极向磁场(poloidal field),方向为南–北指向。有时这种扭曲是由涌升流里上升的流体造成的。如果涌升流够强,极向磁场环圈的顶端会被排出到地核之外。这样的过程会使小圈的两端穿过地核–地函交界处,产生一对通量斑块。斑块之一具有正常方向的磁通量(与该半球整体的偶极方向相同);另一个斑块的通量方向则是相反的。

如果扭曲所造成的反向通量斑块,比正常通量的斑块更靠近地理极点,则会使磁偶极减弱,因为磁偶极对于在极点附近的变化最敏感。这确实说明了目前位在非洲南端下的反向通量斑块。如果整个行星的磁极要真的反转,反向通量斑块需扩大到涵盖整个极区;同时,另一个地理极点附近也会发生类似的区域极性全面变化。

利用超级电脑模拟
为了进一步深究反向通量斑块如何发展,以及它们如何预示下一次的磁极反转,研究人员在超级电脑上和实验室内模拟地球发电机。现代地球发电机的电脑模拟始于1995年,有三个研究团队:日本东京大学的阴山(Akira Kageyama)及其同事、美国加州大学洛杉矶分校的罗伯兹(Paul h. Roberts)与格拉兹麦尔(作者之一),以及英国艾克斯特大学的琼斯(Christopher A. Jones)及同事,这些团队各自发展数值模拟,能够产生类似在地表观测到的磁场。自此之后,针对长达数十万年的模拟运算,结果显示对流确实能造成地核–地函交界面上的反向通量斑块,就像在人造卫星图像上见到的一般。这些斑块往往在磁偶极的自发性反转前出现,而有些模拟也能产生磁偶极反转的现象。

【意犹未尽吗?欲阅读完整全文,请参阅科学人2005年5月号〈地球磁场即将反转?〉】

来自 http://www.sciam.com.tw/read/reads...670&DocNo=1074



献花 x0 回到顶端 [楼 主] From:台湾教育部 | Posted:2005-08-29 08:50 |

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