下一轮地磁反转会是人类的末日吗？

远镜

尼安德特之殇

四万两千年前的一个深夜，一位老尼安德特人①正在山洞里休息，突然被密集的脚步声吵醒了。此刻有许多人跑到洞外，望着天空，有人惊慌大叫，有人紧紧抓着长矛或砍刀。老人也走出洞口，只见山峦之上游荡着一大片血红色的光，还在不断变换形状。这种诡异天象，年轻人当然少见多怪，但老人也感觉这现象近年来出现得越来越频繁了。

老人只好设法安抚众人，开始讲那些老故事，不管故事里出场的是魔鬼还是神明——就好像今天的因纽特人会说，那是在天之灵燃起的炬火，是专门给横死者的灵魂引路用的。也许接下来还有某种祭祀和祈祷，需要众人一起完成。

等到光团消隐，众人回洞休息，也许他们之中有一位艺术家失眠了……也许地球上无数的艺术家都失眠了。他们不约而同地拿起血红色的赭石，在洞壁上涂抹着图案，或记录，或创作，顺便为进化论的幸运儿留点儿考古资料。

从上帝视角看，这些尼安德特人的恐慌并非毫无道理——红色极光的频发仿佛预示着地球和族群的命运：全球环境将剧烈变化，紫外线和电离辐射增强，云量和闪电数量增多，大氣环流重组，气温下降，冰盖面积扩大，海平面下降，动植物分布改变，食物越来越少，生存竞争越来越激烈……最终在一千多年后，尼安德特人灭绝。

这一事件的“万恶”之源可能是当时发生的一次地磁反转事件——拉尚漂移（Laschamps Excursion）。

以上情节是基于2021年澳大利亚科学家艾伦·库珀（Alan Cooper）等人在《科学》杂志发表的论文《四万两千年前的全球环境危机》②所做的想象。他们测量了新西兰贝壳杉中碳-14含量的变化，进行了大气化学数值模拟，发现拉尚漂移有可能深刻改变了全球气候，尼安德特人灭绝和澳洲大型哺乳动物灭绝都可能与之相关，甚至史前艺术都可能受其影响。

四万多年前的西班牙洞穴壁画

拉尚漂移期间，地磁南北极颠倒，磁场方向反转，持续约五百年才再次反转，回到之前的方向。但真正的危机在于其前后一千多年里，地磁场强度都远低于正常水平——强度最低点在前一次反转前夕，只有今天的6%！库珀等人特意将这一千多年命名为“亚当斯地磁场过渡事件”（Adams Transitional Geomagnetic Event）①。

地磁场是地球的防护服。如果地磁场大幅减弱，地球只能裸身迎接太阳风暴的袭击和太阳系外高能射线的持续轰炸。

本文开头的情景——红色极光在低纬度地区频发，可视为地磁大幅减弱的一种反映。极光本身就像一场战火，是来自宇宙的高能带电粒子冲击地球大气的产物。之所以叫“极”光，是因为这些粒子击中地球之前，会被巨大的地磁场束缚住，粒子只能沿磁力线向南北极移动，所以通常只有极区才有极光。但如果地磁场太弱，高能粒子“乘虚而入”，就可以在低纬度地区产生极光，其中就包括尼安德特人生活过的欧洲南部地区。

此外，最常见的极光是绿色的②。红色极光③本属于极为罕见的天象，一般出现于太阳爆发时，但如果地磁减弱，也会变得常见。

其实仔细观察可以发现，每条绿色极光的上端也是暗红色的，因为红色极光只能发生在大气更高层，且通常较暗，所以一般人印象中的极光是绿色的。

每条绿色极光的上端也是暗红色的

高能粒子还会让大气电离。离子会引发闪电，烧焦树木，增加地面木炭量；可以作为凝结核帮助水蒸气凝结成小水滴，增加云量和降雨量；还会改变大气化学平衡、降低臭氧浓度，使紫外线辐射增强。库珀等人认为，这些作用足以引发一场全球气候剧变，就像历史的扳道工，使整个气象系统进入一个全新的状态，这个状态远比亚当斯事件本身更持久。

是危机，也是机遇？

虽然有些智人部落也灭绝于这个时期，另一些却活了下来，甚至创造出了新文化。尤其在艺术领域，一场运动悄然兴起。库珀等人指出，洞穴壁画和岩刻的数量在大约四万年前似乎有一个爆发式增长。已知最早的具象艺术也出现在这一时期，比如在印度尼西亚一个洞穴内发现的一幅牛画像。

过去有人认为这种“文化大爆炸”反映了古人类大脑认知能力的跃变，但这个观点缺乏生物学证据。而库珀等人主张这是一种幸存者偏差：人类可能早就会玩艺术，只是当时的环境危机把人类逼入了洞穴——人类从此变成宅男宅女，过上宅生活，顺便搞起一波宅文化。而这些“入”宅艺术更容易抵御日晒雨淋留存下来。

印度尼西亚洞穴内的牛画像

辐射也让人类学会了防晒护肤。原始人懂得用兽皮遮体，但对于手这种兽皮遮不到的地方，仍需抹防晒霜。前述赭石就是一种古老的防晒霜，今天某些非洲部落还在使用，既能防晒，也能化妆。

在洞穴宅生活中，赭石可能成了新型玩具，或者它早就是玩具，但某位天才把老玩具玩出了新花样。比如有这么一种玩法：一只手贴在洞壁上，用嘴把磨好的赭石粉末往墙上“呼”地一吹，手拿开之后就留下一个手印（如右图），保存在洞穴里四万多年依然完整。

所以“入”宅还是一场媒介革命：同一个洞穴里不同绘画的时间差可达上万年，说明两位跨越万年的艺术家曾有过对话，这都拜洞穴这个新媒介所赐。就像中国的摩崖石刻，设想有人游览大好河山时，突然诗兴大发，却发现古老的山崖上早已刻了前人的字，这时他会想些什么，又会在旁边刻些什么呢？

西班牙埃尔卡斯蒂略洞穴（El Castillo Cave）中存在了四万多年的手印

地磁正处于反转前夕？

1905年，法国科学家伯纳德·布容尼斯（Bernard Brunhes）在火山熔岩中首次发现了地磁倒转的证据。这些岩石含有少量铁磁物质，它们就像琥珀标本一样，记录着岩浆冷却成岩石那一瞬间的地磁场状态。布容尼斯发现岩石磁化的方向与现在的地磁场方向完全相反，由此可知地磁场过去发生过倒转。这一结论在当年显得太惊世骇俗，直到五十多年后，实测证据越来越充分，才被科学界广泛接受。

现在已经知道，在地球的历史中，地磁反转其实是常态：平均每约50万年就会发生一次大的地磁倒转（geomagnetic reversal），大倒转之间还会有多次短期的反向或偏移，持续约几千年又回归原来的方向，称为“地磁漂移”（geomagnetic excursion）。最近一次地磁大倒转发生在78万年前，称为“布容尼斯-松山倒转”，从那以后又发生了至少13次地磁漂移，包括4.2万年前的拉尚漂移。

五百万年以来的地磁大倒转事件（K-Ar 年龄是通过地质学中的钾- 氩年代测定法测定的时间，单位MaBP 为Million year before present）

要注意，无论倒转还是漂移（本文不再区分），磁场都不只是改变了方向，还要伴随一段大幅减弱的时期，强度通常会降到原来的十分之一以下.如前所述，引发环境危机的可能性正源于此。

从1840年人类开始监测地磁场至今，一百多年内地磁场减弱了约9%，而且还在继续减弱。其间磁极的位置也在移动，而且移动速度越来越快。此外，地球上有一片区域的磁场强度明显低于周边地区，它大致覆盖从南大西洋到南美洲的一部分，称为“南大西洋异常区”，面积和异常程度也在不断增长。据此，有科学家提出地球正处于地磁反转的前夕。

由欧空局SWARM 卫星测量的2020 年地球磁场强度，可以明显地观察到“南大西洋异常区”

但科学界反对这一观点的声音同样很大。实际上，人类可能根本无力预测下一次地磁反转的时间：一方面，地磁场变化的机制尚不明确；另一方面，即使我们明确了机制，也可能无法对地磁反转做出确定的预测。

对于地磁场的成因，目前最流行的假说是“发电机理论”（dynamo theory），而这里的“发电机”特指自激（self excitation）发电机。

一个导电线圈在磁场中转动，穿过线圈的磁感线数量发生变化，就会感应出电流。但根据奥斯特定律，电流自身也会产生磁场。如果把这个磁场也利用起来，就能形成一个自我激励的正循环：磁场感应出电流，电流又产生磁场。这样一来，只需要刚开始有一个“种子”磁场，自激循环会让磁场不断放大，直到达成某种稳态——这就是自激发电机。

地核很可能就是一个自激发电机：地核温度在四千摄氏度以上，那里有液态的铁，相当于导电线圈；地核中有对流，加上地球自转，相当于线圈转动；太阳和银河系的磁场提供了“种子”磁场。于是，地核发电机就启动并维持至今。

这个模型还被用于解释太阳、水星以及木星等巨型气态行星的磁场，甚至是脉冲星的磁场。但月球、金星和火星没有检测出磁场。金星可能是因为自转太慢，没有达到发电机形成的条件。月球可能是因为核心太小，难以维持发电机状态。而火星一般认为曾有过磁场，但因为某种原因（比如受到撞击）发电机停止。

即使发电机模型可以解释诸多磁场现象，它本身也非常复杂：由一套非线性磁流体力学方程描述，要用计算机数值模拟或流体实验来研究。这些模拟或实验中，人们观察到磁极反转可以自发形成。

太阳磁场大约每九到十二年就会反转一次，与太阳活动周期同步。但太阳磁场反转时，磁场会明显加强，这与地磁反转时相反。而且，历史上地磁发生反转的时间点是随机分布的，有研究表明它是混沌的——这些性质一定程度上可以由发电机模型解释。

但这就意味着，我们即使找到了完美的理论来解释地磁反转，要想做任何长期预测也是不可能的。就像天气系统的蝴蝶效應，或者《三体》中混乱的三体世界那样，混沌系统的长期表现不可预测，因为任何一点微小误差都会随时间指数式放大。这样的话，地磁反转就跟天气一样，只能实时监测，再结合数值模拟做一些“短期”预报。

还有一种观点认为，即使现在真的是地磁反转的前夕，这个反转的过程一般也需要上千年才能完成，那都是多少代子孙后的事了，我们着什么急呢？

但在2018年，来自中国海峡两岸的周佑民等科学家发现①，地磁反转可能比这个“一般”快得多。他们从贵州遵义三星洞石笋中测得时间分辨率很高的古地磁数据，发现约十万年前曾有过一次特别快的地磁反转，用时仅一百年左右。照此推测，我们其实有一定的可能性在有生之年经历一次地磁反转！

风暴来袭

如果地磁反转真的能引发物种灭绝，那下一轮反转灭绝的将会是谁呢？

比起光脚的祖先，我们这些穿鞋的还多了一个保持警惕的理由：地磁一旦大幅减弱，受到威胁的将不仅是地球自然环境，还有我们每天都极度依赖的电力设备和通信网络。

其实哪怕现在地磁正常，来自太阳的威胁也始终存在，只是危害相对较小。太阳平静时，太阳风与地磁场相互作用达到平衡，会形成一个较稳定的磁层，范围约为六至十倍的地球半径。但当太阳活动爆发，从日冕抛射出去的等离子体物质几天之后就会袭击地球，挤压和扭曲地球磁层。这就是地磁暴（geomagnetic storm）。

地磁暴其实很常见。手机定位有时不准，可能就是地磁暴造成的。我们人体对此没有感觉，但动物是有的，诸如“地磁暴导致大量赛鸽失踪，某某信鸽俱乐部损失惨重”的新闻时不时会出现，因为信鸽等很多动物的导航都依赖地磁场，地磁暴会让它们迷路。为此，空间天气②（space weather）预报会专门发布一个信鸽飞行指数，用来评估今天适不适合放鸽子。当然，空间天气预报的主要用武之地是航天工程。就像许多科幻作品都喜欢用太阳风暴制造险情，地磁暴对航天员、卫星和火箭发射都有影响；它对短波通信也有影响，有时甚至会波及民航飞机。

如果有更强的地磁暴，剧烈变化的磁场会在导线中感应出巨大的电流，直接烧毁电力设备。1859年9月1日发生过一场有史以来最严重的太阳爆发，称为卡灵顿事件，当时已经遍布欧美的电报系统完全瘫痪，电报机甚至发出了火花，许多电报员遭到电击。有人估算，假如这次爆发发生在今天，仅北美电力工业的损失就可达到上万亿美元。

但当地磁场强度下降时，太阳风暴“乘虚而入”，破坏力显然还要大得多。这意味着以上所有事故的后果都会更严重，且发生得更频繁。

这一点可以借助前述“南太平洋异常区”来说明。这个区域的地磁场强度只有不到正常值的一半，卫星和航天器经过该区域上空的故障率远高于其他区域。

至于地磁场强度真的减弱到十分之一以下时会发生什么，对整个电气文明会造成多大破坏，科学家也知之甚少，只能做些推测，例如：

1.紫外线、宇宙射线等辐射增强，航空与太空经济都会受很大影响：机组人员和乘客患癌症等疾病风险会增加，电子仪器发生故障的风险也会增加。防辐射技术可能会成为关键核心技术，相关保险业务可能也会兴起。

2.为了躲避有害辐射，宅生活可能会再次兴起，甚至发展出新的宅文化——这次的新媒介也许是元宇宙？

3.今天的智能手机都内置了指南针，届时这种地磁导航会难以使用。基础的天文观测技能或将成为全民必修课，就像古代的航海家一样，人们又开始通过日月星辰识别方位。

4.地磁暴预警发布后，卫星可能要关机，甚至全球电网也要关闭。这有点像电影《生存家族》的情景：有一天世界上所有电器都无法使用，住在东京的一家四口不得不逃到乡下。这意味着，就算是对老百姓来说，空间天气预报也可能比传统天气预报更重要。

5.但别以为逃到乡下就能高枕无忧了。如果辐射引发气候剧变，还会造成粮食短缺，甚至大规模饥荒——前述尼安德特人灭绝的可能原因正在于此。

不过我们可以再大胆一点：与其坐等地磁反转，有没有可能人为对地磁场进行干预呢？

在科幻电影《地心抢险记》中，由于地磁消失，人类造了一艘探测船深入地核引爆核弹，重启地磁場。这一方案的技术难度太高，不仅这种船造不出来，炸核弹也未必能产生这么好的效果。

但还有一些看来更可行的方案，比如制造一个人工磁场来保护地球。在科幻小说《喧嚣荧光》中，为了防御超新星爆炸产生的高能带电粒子，人类为地球套上了一个巨大的线圈，相当于一个巨大的电磁铁①。这样的人工磁场可能也会对地核产生影响，我们甚至可以借此操控地核，一旦发现显著偏移，就启动人工磁场，引导地核回归正常状态，一开始就阻止地磁反转发生。

如果这项技术成熟，还可以复制到火星上，作为火星移民工程的配套设施。火星缺乏磁场保护，不仅易受高能粒子攻击，火星大气物质也很容易被太阳风刮走，建造一个行星级的磁场可以挡住高能粒子；如果要改造火星大气，增加大气压，磁场也能防止物质流失——这些想法显然都是在对标地球磁场。

地磁暴：地球磁层受到太阳活动的挤压和扭曲

已经有人严肃地考察了火星磁场工程的可行性。英国科学家露丝·班福德（Ruth Bamford）等人在2022年的论文②中考虑过多个方案，其中最新奇的一个是：把火星某颗卫星的物质释放出来，在太空轨道撒成一个巨大的等离子体环，像土星光环一样绕火星转动。沿着等离子体环可以建设若干个太空站，用来驱动环中的电荷形成电流，从而产生磁场。这个方案是最省钱省力的，因为不需要真的去建造任何行星尺度的巨型建筑！

这也许是最乐观的想象了。地磁场就像地球的守卫，默默保护了地球生命几十亿年，直到近几百年才有一个物种认识到它的存在，又进一步认识到它的过去、它的“性情”和它的“丰功伟绩”。它给这个物种带来的启示，也许有一天，会帮助生命的种子传播到宇宙中更遥远的地方。

① 尼安德特人（Homo neanderthalensis）是人属（Homo）分类下的多个物种之一，曾生活在欧洲。现在的人类都属于智人（Homo sapiens），是人属唯一现存物种。

② 论文网址：https：//doi.org/10.1126/science.abb8677，引发的争论见https：//doi.org/10.1126/science.371.6531.766。

① 英语没有“万”这个单位，以千为单位，该事件距今刚好42个千年，正是被道格拉斯·亚当斯的《银河系漫游指南》捧红的那个神秘数字。

② 氧原子被来自宇宙的高能带电粒子撞击，激发到高能态，保持一段时间后跃迁回到低能态，同时以光子的形式释放能量，绿色的极光即释放出的波长为557.7nm的光子。

③氧原子跃迁产生波长为630nm的光子。

① 论文《地磁偏移期间多年代分辨的极性振荡》，网址：https：//doi.org/10.1073/pnas.1720404115。

② 这里的“空间”特指日地空间。

① 假设有一条导线沿赤道绕了地球一圈，要产生与今天的地磁场同等强度的磁场，需要通20亿安培左右的电流。如果匝数更多，所需电流则按比例下降。

② 论文《如何为火星创建人工磁层》，网址：https：//doi.org/10.1016/j.actaastro.2021.09.023。