地球为什么有磁场？

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻译 程思淼

地球为什么有磁场？

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻译 程思淼

柯文采（Thijs Kouwenhoven）

地球的磁场

地球上很多动物体内都有内置罗盘，它们因此能够感知到东、西、南、北的方向。鸽子就是其中之一，它们能借助体内的“磁受体”找到回家的路。老鼠、蝙蝠、细菌、鼹鼠和蜜蜂中的一些种类也能利用磁受体感知方向。两千多年前，在汉代的中国，人类制造了第一个罗盘。当时人们称之为“司南”。那时候，罗盘主要用于宗教目的和占卜。罗盘技术在宋代得到改进，此时中国人已经把它用作导航的工具，尤其是海上的导航。发明后差不多一千年，罗盘经丝绸之路逐渐传入中东、非洲和欧洲。很多世纪之后，人们才将罗盘的活动解释为地球磁场的影响结果。此后不久，物理学家意识到，地球磁场具有北极和南极，而且它不仅存在于地球表面，也存在于地球周围的空间中。

对地球磁场的首次测量发生在2000年前的中国。那时，人们发明了罗盘。罗盘最初用于宗教和文化的目的，改进之后成为导航和军事的工具。这幅摄于开封的图片展示的是汉代司南的模型。图片来源：Wikipedia

加拿大北部地区的极光。图片来源：APOD

地磁场保护我们免于危险的宇宙射线的伤害，这其中主要是太阳风（从太阳抛射出的高能粒子）的威胁。几乎所有吹向地球的太阳风都在地磁场的作用下偏离了方向，地球生物圈和臭氧层因此免于毁灭的命运。不过，这一磁场无法有效地保护地球两极附近的地区。太阳风轰击大气分子，于是就产生了两极上空飘动的或红或绿的美丽的光带——极光。

如果地磁场消失了，又会发生什么呢？那将是一场大灾难。以太阳风为首的危险的宇宙射线将毫无遮挡地从各处贯穿大气层。这些高能粒子会撞击任何它遇上的东西：撞击高层大气中的氮和氧的原子（发出红色和绿色的光），撞击臭氧分子（导致臭氧层的破坏），以及撞击植物和动物的DNA（造成癌变）。

我们的卫星——月球——没有明显的磁场。登月的宇航员暴露在来自太阳和其他源头的宇宙射线之下，所以必须穿上厚重的宇航服才能保护自己。未来中国的空间站和现在国际空间站上的宇航员，多少也受到这样的威胁。同样，金星和火星也不怎么幸运：这两颗行星都没有足够强的磁场来保护自己免受太阳风的打击。结果，金星和火星的大气都在遭受虽然缓慢，但是持续不断地破坏。而且，金星由于离太阳更近，遭到的破坏更厉害。火星上缺乏磁场，也给人们未来殖民火星的计划带来了困难。如果我们打算在火星上居住，也许要把居所建在地下好几米深的地方，才能保护我们不受宇宙射线的威胁。

好在我们的地球一直有一个足够强大的磁场，保护生命在地球上得以诞生和演化。地质学家通过研究很久以前形成的岩石，可以测出地球磁场在几百万乃至几十亿年前的强度。这些岩石有的是通过火山活动形成的（火成岩），有的是通过沉积作用形成的（沉积岩）。在这些岩石形成的阶段，当它们还没有完全固化的时候，其中混杂的微小金属粒子会在磁场的作用下规则地排列起来。

通过比较这些岩石的数据与近几百年来对地磁场直接测量的结果，科学家发现，地磁场有着游移不定的运动，有时还会上下颠倒。北磁极目前位于加拿大北部，但它正以每年60千米的速度缓慢地向俄罗斯方向移动。更离奇的是地磁场的反转（北极变成南极、南极变成北极）。这种反转现象的出现并没有严格的规律，但大体上每过100万年左右会有一次。上次反转发生在78万年前。反转本身并没有太大的危害，但在它们发生前后的一小段时间（几十到几百年）里，地磁场的强度会接近于零，而这是非常危险的。由于现有的模型还不够好，我们并不知道下次磁极反转会在什么时候到来。通过对岩石的测量，我们能够知道的是，现在地磁场的强度比起发明罗盘的汉代下降了35%；而在过去150年里，这一数值下降了10%～15%。

地球磁场保护我们免于宇宙射线，尤其是太阳风的威胁。只有在北磁极和南磁极附近的两块狭窄的环形区域，地磁场无法对大气形成有效的保护。因此，我们在这两个地区可以看到极光。每过100万年左右，地球的磁场会发生反转。在反转前后的一段时间（几十到几百年）里，地磁场的强度接近于零。因此在这段时期，地球得不到磁场的保护。图片来源：Michael Osadkiw (University of Rochester)

地磁场的起源

虽然关于地磁场起源的“自激发电机理论”已经走过了近百年的发展，但是地质学家在细节上仍然没能达成一致。这个理论的主要论点是：地球内部有大量熔融的岩石和金属；它们的大规模流动，加上地球的自转，造成了地球的磁场。

要进一步理解这是如何发生的，我们首先需要对地球的成分有所了解。地球主要由两类物质组成：岩石和金属。由于金属一般比岩石要重（即密度大），它们大多沉到了地球的中心，形成一个由金属组成的地核。地核的温度非常高，这主要有两个原因：第一，整个地球在形成之初都是非常炽热的，而地核由于处在中心，至今还没有冷却下来；第二，有很多放射性金属沉到了地核，它们的辐射会产生热量。随着越来越多的金属向地心下沉，地核也变得越来越大。包围在地核外面的是由岩石组成的地幔，这些岩石也非常炽热，因此不能保持固定的形状。地幔中这些岩石的流动，是地球表面大陆漂移的主要原因。岩石质地球的表层完全冷却，就形成了坚固的地壳。有时，地幔的大规模流动会冲击地壳，引起地震和火山爆发，不过大部分时候两者还是和平相处。最后，在地壳的顶端，有薄薄的一层水（海洋）和少量的空气（大气层）。

地球几乎全是由岩石和金属组成的。由于金属比较重，它们大部分下沉到地心，形成了金属质的地核。地核温度非常高，因为地球在诞生之初是非常炽热的，而地核还没有完全冷却；另外，放射性金属加热了地核。地磁场说到底是由地核产生的。包围着地核的是地幔。地幔主要由不成形的岩石组成。地幔的顶端是薄薄的固态岩石（地壳）以及少量的水和大气。图片来源：BarisSimsek / Sciencedaily(https:// www.sciencedaily.com/ releases/2010/10/101027 133152.htm)

几个世纪以来，地质学家建立各种模型，并进行了大量的实地测量，以理解地球磁场的运作机制。他们的工作可以总结如下：

1.地磁场是在地核产生的；

2.随着越来越多的金属下沉，地核在不断成长；

3.直到过去10亿年里，地核的大小才足以产生一个磁场；

4.对岩石的分析表明，地球至少在34.5亿年前就有磁场了，并且绵延至今，几乎不曾断绝。

显然，最后两条是矛盾的。一定是哪里弄错了。这个问题困扰了地质学家很多年。他们是不是忘了考虑什么因素？好在天文学家可以给出一个！

这与月球有关系

上面说到的问题，已经由一个来自法国的天文学家团队解决了。他们在发表于《自然》杂志的论文（Badro et al. 2016, Nature）里解释说，月球可以为这个问题提供一个答案。月球的形成，大抵是地球与另一颗火星大小的行星（称为“忒亚”，Theia）撞击的结果。同地球一样，“忒亚”也由核和幔两部分组成。撞击之后，“忒亚”幔的一部分被抛到太空中，凝固并形成了月球。而剩下的大部分物质，包括它的核，则与地球融合了。这个“忒亚”与地球融合的产物（即今天的地球）一开始是很混乱的，两个行星的核与幔混杂在一起。后来，“忒亚”中的金属成分才慢慢下沉到地球中心，并与地核融为一体。

关于月球的起源，最广为接受的理论认为：它是一颗火星大小的天体（被命名为“忒亚”）与地球相撞的产物。这一毁灭性事件产生了两个积极的结果：一是给我们带来了月球；二是按照巴德罗等人在发表于《自然》杂志的论文（Badro et al. 2016）中的看法，这场撞击使地球在几十亿年里一直得到磁场的保护。图片来源：Buzzle.com

这些金属成分在下沉的过程中，也会带着其他的成分一起下沉。其中特别值得注意的是氧化镁（MgO）。氧化镁在地幔中非常常见。它有两个重要的性质：第一，氧化镁是一种亲铁（siderophile）物质，也就是说，（在温度不是很高的时候）它特别喜欢跟铁待在一起；第二，氧化镁的密度比铁要小很多，因此，它倾向于待在地幔的上层。于是，氧化镁的经历就好像一个风流浪子的爱情故事：它跟着铁去到它受不了的地方。氧化镁陷入对铁的爱情，随着它下降到地球的中心。但这爱只在温度不太高的时候才能维持。一旦铁和氧化镁进入地核，周围的温度会迅速上升。到了接近地心的某个点，氧化镁决定分手，然后迅速向上浮。随着上浮，温度又下降，这时候氧化镁又可以爱上另一个铁，开始一段新的地心之旅了。

可以想见，铁的不断下沉和氧化镁上上下下的运动，把地球的中心搅得天翻地覆。按照论文作者的说法，正是这个爱情故事催生了距今10亿年以前的地球磁场。为了检验他们的理论是否有效，论文作者还在法国的一个实验室里设定各种地心的条件，用熔岩、铁和氧化镁（以及其他一些对此没什么影响的材料，比如氧化铝，Al2O3）等材料进行了实验。

不难想见，当本来属于“忒亚”的铁全部下沉到地球中心之后，上述的过程也就停止了。这一转变看来发生在10亿年前，也就是地核刚好成长到足以产生自己磁场的前后。换句话说，看样子，这些法国科学家已经解决了远古地球磁场的难题！

木星上的极光与磁场示意图。右上角的小图中，紫色的假彩色部分是来自钱德拉X射线天文台拍摄到木星极光中的强烈X射线辐射。图片来源：APOD

对其他行星的推论

那么，上述结论对地球，对太阳系的其他行星，以及对潜在的宜居行星来说，意味着什么呢？首先，我们似乎是很幸运的，因为地球和“忒亚”相撞是在很久以前发生的。这场撞击不仅给我们留下一颗卫星，还留给我们一个在几十亿年时间里保护生物繁衍与演化的磁场。如果这场撞击从未发生过，地球（和地球上的生命）将会怎样呢？这很难说。但有一点是无疑的：我们目前在地球上见到的各种生物，在没有磁场保护的日子里，处境都将十分艰难。

那么火星和金星情况如何呢？也许这两颗行星也和其他的大天体发生过碰撞。这是很有可能的，因为按照行星形成的理论，一开始有十几个火星大小的天体在绕着太阳公转。不过，由于金星演化成了一颗没什么自转的行星，它也就无法拥有磁场。而火星虽然有自转，但由于个头比较小，它的核和幔现在已经凝固，磁场早在几十亿年前就消失了。

我们现在还无法测量系外行星的磁场强度。不过，鉴于行星磁场对于（至少就我们所知的）生命形成和演化的重要性，行星磁场学将来有望成为一门显学，成为全世界的地质学家和天文学家紧密合作的新领域。