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上一次講到了地球的磁場曾經(jīng)發(fā)生過磁極倒轉。這件事兒聽起來還是挺匪夷所思的。但是科學家的證據(jù)是非常扎實的，在同一個地區(qū)，發(fā)現(xiàn)不同的巖石的磁場的方向是不一致的，要么就是因為大陸漂移過，原來不是這個地方，也不是這個角度，要么是就是地球的磁場發(fā)生過變化。地球的磁極不在正南正北的軸線上，而是稍稍偏離了軸線。我國古代的沈括就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)指南針的方向與正南正北不是完全重合的。后來，大家發(fā)現(xiàn)磁極是會移動的。1900年的位置和現(xiàn)在的位置就是不一樣的。但是移動的幅度不算大。但是人們怎么都想不到地球的磁場是會倒轉的。
磁北極的移動路徑
科學家曾經(jīng)找到過一段玄武巖的，這段玄武巖就是火山巖漿逐漸冷凝下來形成的。想來是當年巖漿在沿著地上的溝溝坎坎流動，先噴出來的，最先冷卻，后噴出來的后冷卻。溫度低于居里點，就可以被地球的磁場所磁化。那么這段巖漿就是按照先來后到逐漸冷卻逐漸磁化的。結果科學家們在這段巖漿之中發(fā)現(xiàn)了磁極倒轉的情況，也就是說就在巖漿冷卻的這段時間里，磁極就發(fā)生了翻轉。也就是說，當時的磁極是非常弱，而且不穩(wěn)定的。因為時間太短了，這種磁極倒轉必定是真的磁極倒轉了，而不是大陸漂移引起的。大陸不可能在那么快的時間里調轉180度。后來，科學家們在全球的地層里都發(fā)現(xiàn)了磁極倒轉的現(xiàn)象，這必定是全球性的事件，而不是某塊大陸轉了180度，你想啊，怎么可能全體大陸在同一時間開始集體向后轉。所以，現(xiàn)在磁極倒轉也成了一個常見的話題，當然，也有人借此宣揚大災難，或者是辟謠之類的，反正怎么吸引眼球就怎么說。我們這一次就盡量把這事兒講透一點。 地球內部的結構
既然講到磁極倒轉，那么肯定有人會問，地球的磁場是從何而來的呢？過去，大家認為地球就是一塊大吸鐵石。只是規(guī)模比較大罷了。但是居里先生發(fā)現(xiàn)了居里點，高于這個溫度是不可能帶有固定磁場的。后來又發(fā)現(xiàn)，地下的溫度非常高。地球核心部分達到了6000度。因此不能把地球當做一塊固定的大磁鐵。那么地球的磁場來自于何處呢？大家都想到了電磁作用。地球的磁場應該是個電磁場。地球物理學研究的一個障礙就是地球是不透明的，對于地下的事情，我們只能提出各種模型來給與解釋。為了解釋地球磁場的來源，科學家們提出了很多種說法。比如壓電效應，比如溫差發(fā)電，但是這些理論的缺陷都是非常明顯的，如今表現(xiàn)比較好的就是所謂發(fā)電機假說。要想產生地球這么強的磁場，地下環(huán)繞的電流要達到109安培，如此巨大的電流是怎么產生的呢？布拉德和艾爾薩瑟提出一個最簡單設想。地球內部有些物質帶有微弱的磁場，這被稱為“種子磁場”，地下帶電的物質在這個微弱的磁場里流動，產生了電流，電流又產生了更強的磁場，然后再一次次的強化。地球的磁場也就變得比較強了。說白了地下有個巨大的發(fā)電機。
地球內部的發(fā)電機 這個發(fā)電機的模型算是比較靠譜兒的。艾爾薩瑟也被稱為“發(fā)電機理論之父”。這個理論可以解釋為什么磁場的軸和地球自轉軸為什么是基本一致的，但是無法解釋磁極的倒轉。后來為了解釋磁極倒轉現(xiàn)象，科學家們設想在地球內部不是一個發(fā)電機在轉，而是兩個，產生的電流和磁場在相互影響。因此地球的磁場是兩個發(fā)電機疊加以后的效果。不是西風壓倒東風就是東風壓倒西風，這事兒可就沒準了。因此次才會出現(xiàn)磁極的倒轉現(xiàn)象。磁極倒轉呈現(xiàn)一種準周期性。過去的8700萬年里顛倒了183次。長短沒有規(guī)律，但是算算數(shù)字你也知道，不會太長，也不會太短。磁極倒轉的過渡階段大約有2000到12000年。在此期間地球的磁場是比較弱的，而且不穩(wěn)定。最近的一次磁極倒轉發(fā)生在78萬年前。
地球內部流動引發(fā)磁場倒轉過程 那么地球內部這個發(fā)電機的能量來源是從何而來呢？一般有三種說法，地核內部密度大的物質下沉，逐漸堆積，地球內核固體部分在變大，外核的液體部分在變小。這個過程是放熱的。第二種來源是內部放射性物質衰變。要知道地球上天仍然放射性物質的密度一般都比較大，因此很容易沉到地球內核，地表很稀有。所以核心部分就像個核反應堆，在不斷的放出熱量。但是這些熱量不算太多。還有一個能量來源，那就是地球內部轉得快，外部轉的慢。這個速度差導致物質相互摩擦，產生大量的熱，這很可能是一個主要的能量來源。據(jù)說，地球內部轉動相對地表，每過兩三百年就會多出一圈來。 太陽的磁場也是很容易倒轉的
那么地球內部帶電物質的對流造成了發(fā)電機效應，因此產生了磁場。那么有沒有證據(jù)呢？這個證據(jù)還真的很難找。不過我們其實可以參照太陽系的其他天體。太陽的磁極也在不斷的倒轉，大致上有一個22年的周期。這要比地球磁極倒轉快得多。因為太陽是個帶電的等離子體組成的球，太陽上各種湍流都是極其復雜的東西。不像地球內部，即便地核上層是液體，也應該不是那么容易流動的東西，地幔的對流就更慢了。金星自轉非常緩慢，達到了243天，比公轉周期224.7天還要長，自轉方向也跟其他行星反著，因為自轉太慢了，無法帶動內部的發(fā)電機，因此金星幾乎沒有磁場。水星的磁場非常強?；鹦谴艌龇浅Ｈ?。大塊頭木星和土星都有非常強的磁場。當然，它們的磁場來源也應該是帶電物質旋轉對流造成的。因為這兩個球體都是流體，因此磁場也比較復雜。天王星和海王星的磁場都是歪把子，和自轉軸相去甚遠。天王星甚至有多個磁極。不知道這兩顆星球是怎么搞的。從太陽系其他星球的情況來看，發(fā)電機的理論還算是靠譜兒，但是流體的流動往往是非常復雜的，會產生漩渦和湍流之類的現(xiàn)象，因此產生多個復雜的發(fā)電機也是可以理解的。
用加熱到液態(tài)的金屬鈉在大球內旋轉來產生磁場 科學家們也在想法子用實驗來驗證這個假說，比如在直徑三米的球形罐子里放進大量融化的金屬鈉，然后加熱到110度，大球開始快速旋轉，用液態(tài)的金屬鈉來模擬地核里高溫高壓液態(tài)的鐵和鎳。據(jù)說模擬效果還不錯，他們模擬出了磁場的翻轉。周期在10秒到180之間，反正是個隨機的數(shù)值。當然，現(xiàn)在不僅有實驗室里的實驗，還有計算機模擬，法國人動用了16000個cpu去計算地球的磁場，可以計算地球的磁極是如何移動的，呈現(xiàn)什么樣的規(guī)律。但是不管怎么說，發(fā)電機到現(xiàn)在還是一個假說。沒有辦法完全得到驗證。畢竟湍流的計算本身就是不確定的。發(fā)電機理論是在上世紀中期提出來的，大約是1945年到1947年之間吧。到50~60年代是沒辦法驗證的，那時候科學家們甚至不知道地幔是不是會對流，因為地幔是固體，不是液體。假如解決這個問題，那么可能就是一個突破點。這又是一個讓人非常頭大的問題。固體也是可以流動的，比如說瀝青就可以流動，雖然是固體。
瀝青滴落實驗，固體也是能滴落的 那么如何知道地幔是不是在對流呢？還是靠在海底打洞來解決問題。假如地幔是不會流動的，那么地殼里面的熱量來源就只有放射性元素的衰變。比如說花崗石里面就含有微量的放射性元素。前一陣子紹興帶放射性的石料被用于樓盤建設還引發(fā)了軒然大波。由此可見，普通的石頭里面多多少少也有極微量的放射性元素，它們衰變是會放出熱量的，但是這些熱量是微乎其微的。大陸的地層比較厚，但是大洋的地層比較薄，放射性物質比較少。因此大洋海底地殼的散發(fā)的熱量會比較少！那么如何測量呢，這就需要測量溫度梯度了。于是兩個年輕的科學家布拉德和馬克斯維就設計了一種探針，專門用來探測洋底的溫度梯度。說白了就是一竿子插進去，看看地底下的溫度和上邊的溫度差多少，根據(jù)這個溫度差就能算出散熱的速度。
“洞察號”火星探測器
洞察號火星探測器其實就是干這事兒的，為什么叫“洞察號”？說白了就是在火星上打個洞測量一下溫度的梯度，說白了科學家們還是關心到底這顆火星的內部是不是還有熱量在往外散發(fā)。本來打算鉆個5米的深的洞，但是只鉆了30厘米就鉆不下去了，出故障了，最近還在解決問題呢。沒辦法太遠了，操控起來太麻煩。地球上當然就方便多了。
1950年，馬克斯維在洋底上打了不少的洞。不測不知道，一測嚇一跳。大洋的底部在源源不斷的往出散熱。和大陸是差不多的。也就是說，自身放射性元素的衰變放出來的熱量可以忽略不計。是大地深處的地幔在源源不斷的往外傳輸熱量。因此管你皮薄皮厚，溫度都差不多。這才是大頭。假如是地心里的高溫通過地幔傳到上來，那么不妨去算算地幔的導熱性能，只靠巖石導熱的話，根本就輸送不了這么多的熱量，只能靠對流來傳遞熱量。所以，地幔必定是在對流的。這在當時看來是匪夷所思的，固體石頭也會對流？還真的就是這樣。
地幔對流
所以，科學家的每一個假說都是要去想辦法驗證的，他們敢說這話都是因為有證據(jù)。我們沒有辦法親眼看到地幔的對流，但是科學家們還是有辦法去測量出來。他們不僅測量出海底在源源不斷的散熱，而且還測出大西洋的大洋中脊附近散熱最快。海溝散熱最慢。這說明，地幔的對流是從中洋脊下面上升，海溝處下降，一個完美的對流途徑被勾勒出來了?？茖W家們在大西洋和太平洋里面測量了一大圈，發(fā)現(xiàn)這是個普遍規(guī)律。愛丁堡的赫爾姆斯提出了一個大膽的說法，推動大陸漂移的力量就是這種地幔的對流。這種對流很可能會把大陸撕開一個裂縫，就像紅海和加利福尼亞灣一樣，然后越撕越大，最后變成遼闊的海洋。50~60年代地球科學有了很多新的發(fā)現(xiàn)。大洋中脊就是其中之一，也有翻譯成中洋脊的。當年英國著名的挑戰(zhàn)者號考察船就發(fā)現(xiàn)在大西洋的洋底有這么一塊地方高高的鼓起來了，但是挑戰(zhàn)者號的探測設備很差，測量海底深度基本只能靠拿根繩子掛個重錘。就這么一點一點測量海底的深度，很多地方繩子 不夠長，根本就沒法測。所以他們只是粗略的測了一次。那么挑戰(zhàn)者號為什么要測量海底的地形呢？那是因為當時要鋪設海底電纜，不掌握海底的地形地貌，鋪設電纜是會遇到麻煩的。1925年，當時聲吶已經(jīng)發(fā)明了，利用回聲定位系統(tǒng)對海底進行了勘測，的確發(fā)現(xiàn)在大西洋底有一座巨大的山脈。綿延千里。后來在印度洋發(fā)現(xiàn)了類似的海底山脈，這次活動的贊助商是丹麥啤酒廠商嘉士伯，因此就用他的名字命名了，叫做“卡爾斯伯格洋中脊”，這就是個翻譯問題，其實就是嘉士伯。嘉士伯特別喜歡贊助自然科學，玻爾的研究所就是他們贊助的嘛。同樣，樂堡啤酒喜歡贊助社會人文學科，因此丹麥學界就是這么井水不犯河水。
狹義的中洋脊是指大西洋的洋脊，廣義的還包括東太平洋海隆、印度洋西南海嶺、中印度洋海嶺、印度洋東南海嶺等 1930年，英國考察船約翰·莫里號在卡爾斯伯格洋中脊上發(fā)現(xiàn)了一個裂谷，似乎山頭頂上分叉了。到了50年代，女科學家瑪麗·薩普和布魯斯黑森一起完善海底地圖，他們對全世界的海底地形做了一個匯總。他們發(fā)現(xiàn)，在全世界的大洋里都有一條貫穿的巨大山脈，而且都是連接在一起的，連續(xù)長度有6.5萬公里。地球赤道不過4萬公里。這條巨大的山脈是地面上最長的科迪勒拉山系的好幾倍。這條巨大的山脈有些部分是露出水面的，比如冰島就是大洋中脊露出水面的部分。與此類似的還有亞速爾群島。這些地方都是地震和火山的多發(fā)區(qū)。大洋中脊的兩側都是海底地震的多發(fā)區(qū)。因此這個地方必有蹊蹺。哈里·海斯意識到中洋脊就是地幔對流上升的地方。大洋的洋底就是從這里冒出來的。別忘了，哈里·海思是先前專門研究過海底平頂山。這些平頂山的山頂最開始都在海平面附近。只有海平面附近，風吹浪打在具有侵蝕作用。才能再加上珊瑚蟲的繁殖，才能弄出一個平坦的頂部。然后火山在就自身重力的作用下，不斷的下沉。成為海底的平頂山。因此海斯能判斷出海底平頂山的大概年齡。在太平洋里有大約150座海底平頂山。離洋中脊遠一些的，往往比較老，離得進的往往比較年輕，這說明什么？洋中脊是比較活躍的區(qū)域，新的火山總是在這里誕生，然后隨著海底的移動被推到了遠處。所以海斯茅塞頓開，大洋的洋底就像傳動帶一樣在不斷的而擴張，從洋中脊這里冒出來，從大陸邊緣的海溝里下沉，回到地下。1961年，圣迭戈海軍電子實驗室的羅伯特·迪茨也提到了類似的想法，而且海底擴張說這個詞就是他提的，但是他卻很謙虛的完全歸功于海斯。對于這個結果，海斯也表現(xiàn)的非常謙虛，他根本沒有發(fā)表在什么頂級的期刊上。要是照現(xiàn)在的習慣，肯定是往頂級期刊上發(fā)嘛！但是1962年，海斯只是寫了一篇小短文，發(fā)表在了一個紀念性的文集里面，這個文集因為是紀念性質，其實不是什么期刊，因此也不需要審核，就這么發(fā)出來了。正是這篇文章把地球科學界攪了個天翻地覆。這是一個革命性的理論，有了這個理論，魏格納的大陸漂移學說基本上就翻盤了。但是海斯他們還需要更加扎實的證據(jù)，他們去哪兒找這些證據(jù)呢？下次再說。
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