大部份的人都认为，磁针会指向北方是理所当然的。数千年来，水手靠着地球的磁场来导航；而鸟类和其他能感应磁场的动物，则已经运用这个方法有更长一段时间了。然而奇怪的是，地球的磁极并不是一直都朝着现在所指的方向。

有些矿物可以记录地球磁场的方向；根据它们的记录所显示，在地球45亿年的历史中，地磁的方向已经反覆南北倒转了好几百次。不过，在最近的78万年内都未曾发生过倒转──这比之前发生倒转的平均间隔时间25万年要长了许多。此外，地球的主要磁场自1830年首次测量至今，已经减弱了将近10％。这个速率相当于在失去能量来源的情况下，磁场自然消退速率的20倍。难道是，下一次的地磁反转即将来临？

地球物理学家很早就知道，地球磁场变化的原因深藏于地球中心。地球就如同太阳系里的一些其他天体，是利用内部的发电机来产生磁场。基本上，地球发电生磁的机制就和普通发电机一样，藉由某个部份运动的动能，产生电流和磁场。在一般的发电机里，运动的部份是旋转的线圈；而在行星或恒星里，运动的则是导电的流体。在地球核心，有着体积相当于六个月球、处于熔融状态的铁，形成不断环绕流动的汪洋，构成了所谓的地球发电机（geodynamo）。





地球内部清楚的分成几个层次，包括液态的外核──该处的乱流对流形成了复杂的循环结构，进而产生地球磁场。



一直以来，科学家主要是靠着简单的理论来解释地球发电机和其神秘的磁力。但最近10年，研究人员发展出新的方法来探索地球发电机的详细运作机制。人造卫星能清楚拍摄地表磁场的图像；而利用超级电脑来模拟地球发电机，以及在实验室里建立的物理模型，则解释了轨道上的观测结果。这些工作，对于过去的磁极反转提出了一套很有意思的解释，更对下一次的反转事件将如何展开，提供了新的线索。

驱动地球发电机
在我们开始探索磁场如何反转之前，必须先了解，是什么力量驱动着地球发电机。在1940年代前，物理学家便已明白，行星要能产生磁场，必须满足三项基本条件；之后的发现都是建构在这个基础上。第一要件，要有大量的导电流体──地球的外核为液态，且富含铁质。这关键性的外核包覆着几乎是由纯铁所组成的固态内核，深埋在厚重的地函与极薄的大陆、海洋地壳之下，距离地表的深度约2900公里。地壳和地函的重量，使地核内的平均压力高达地表压力的200万倍。此外，地核的温度也十分极端──约为5000℃，相当于太阳表面的温度。

这些极端的环境条件，构成了行星发电机的第二要件：流体运动的能量来源。驱动地球发电机的能量，部份是热能，部份是化学能──两者都在地球核心深处造成浮力。就像一锅在炉上烧着的汤一样，地核底部比顶部热。（地核的高温来自地球形成时囚禁在中心的热能。）因此地核底部那些较热、密度较低的铁会上升，就像热汤里的大气泡那样。当这些液体到达地核顶端，碰到上方的地函时，会丧失部份的热。于是液态铁会冷却、密度变得比周围环境高，因而下沉。这个透过流体的上升及下沉，将热能由下往上传送的过程，称为热对流。
大部份的人都认为，磁针会指向北方是理所当然的。数千年来，水手靠着地球的磁场来导航；而鸟类和其他能感应磁场的动物，则已经运用这个方法有更长一段时间了。然而奇怪的是，地球的磁极并不是一直都朝着现在所指的方向。

有些矿物可以记录地球磁场的方向；根据它们的记录所显示，在地球45亿年的历史中，地磁的方向已经反覆南北倒转了好几百次。不过，在最近的78万年内都未曾发生过倒转──这比之前发生倒转的平均间隔时间25万年要长了许多。此外，地球的主要磁场自1830年首次测量至今，已经减弱了将近10％。这个速率相当于在失去能量来源的情况下，磁场自然消退速率的20倍。难道是，下一次的地磁反转即将来临？

地球物理学家很早就知道，地球磁场变化的原因深藏于地球中心。地球就如同太阳系里的一些其他天体，是利用内部的发电机来产生磁场。基本上，地球发电生磁的机制就和普通发电机一样，藉由某个部份运动的动能，产生电流和磁场。在一般的发电机里，运动的部份是旋转的线圈；而在行星或恒星里，运动的则是导电的流体。在地球核心，有着体积相当于六个月球、处于熔融状态的铁，形成不断环绕流动的汪洋，构成了所谓的地球发电机（geodynamo）。




地球内部清楚的分成几个层次，包括液态的外核──该处的乱流对流形成了复杂的循环结构，进而产生地球磁场。

一直以来，科学家主要是靠着简单的理论来解释地球发电机和其神秘的磁力。但最近10年，研究人员发展出新的方法来探索地球发电机的详细运作机制。人造卫星能清楚拍摄地表磁场的图像；而利用超级电脑来模拟地球发电机，以及在实验室里建立的物理模型，则解释了轨道上的观测结果。这些工作，对于过去的磁极反转提出了一套很有意思的解释，更对下一次的反转事件将如何展开，提供了新的线索。

驱动地球发电机
在我们开始探索磁场如何反转之前，必须先了解，是什么力量驱动着地球发电机。在1940年代前，物理学家便已明白，行星要能产生磁场，必须满足三项基本条件；之后的发现都是建构在这个基础上。第一要件，要有大量的导电流体──地球的外核为液态，且富含铁质。这关键性的外核包覆着几乎是由纯铁所组成的固态内核，深埋在厚重的地函与极薄的大陆、海洋地壳之下，距离地表的深度约2900公里。地壳和地函的重量，使地核内的平均压力高达地表压力的200万倍。此外，地核的温度也十分极端──约为5000℃，相当于太阳表面的温度。

这些极端的环境条件，构成了行星发电机的第二要件：流体运动的能量来源。驱动地球发电机的能量，部份是热能，部份是化学能──两者都在地球核心深处造成浮力。就像一锅在炉上烧着的汤一样，地核底部比顶部热。（地核的高温来自地球形成时囚禁在中心的热能。）因此地核底部那些较热、密度较低的铁会上升，就像热汤里的大气泡那样。当这些液体到达地核顶端，碰到上方的地函时，会丧失部份的热。于是液态铁会冷却、密度变得比周围环境高，因而下沉。这个透过流体的上升及下沉，将热能由下往上传送的过程，称为热对流。

流体在熔融的外核里上升，将地核里原本大致呈水平方向的磁力线向上推挤。这种对流的涌升，有时会使磁力线弯曲凸起。同时，地球的自转驱使熔融的流体以螺旋形流动循环，将凸出的磁力线扭成小圈。如果涌升流的强度足以将小圈推出地核，便会在地核–地函交界面上，形成一对磁通量斑块。

现任职于美国加州大学洛杉矶分校的布拉金斯基（Stanislav Braginsky）曾于1960年代时指出，热由地核的上部逃逸，同时也会使固态内核的体积增加，产生两种额外的浮力来源，驱动对流：当液态铁在固态内核的外缘凝固而形成晶体时，会释放潜热。这些热可以加强热浮力。此外，如硫化铁和氧化铁等密度较低的化合物被内核的晶体排出，上升通过外核，也会加强对流。

行星要产生能自我维持的磁场，还有第三个条件：旋转。地球自转造成科氏力效应，会使地核内上升的流体偏向，就像造成洋流及热带风暴被扭转成在气象卫星影像中常见的漩涡状那样。在地核中，科氏力使涌升的流体沿着像开酒瓶器的螺旋路线上升，仿佛顺着弹簧的螺旋线圈移动。

地球拥有富含铁的液态核心、有足够的能量驱动对流，并具有科氏力可使对流的流体扭转，这些是地球发电机之所以能自我维持数十亿年的主要原因。但科学家需要更多证据来解释令人困惑的问题，像是磁场的生成，以及为什么磁极会随时间而改变等。

磁场分布图
过去五年里，由于科学家终于能够比对相隔20年所观测到地球磁场的准确分布，因而有了重大发现。1980年，磁场卫星（Magsat）测量了地球表面上的磁场；另一枚卫星厄斯特 （Oersted）则是在1999年起进行同样的测量。假设地函的电流可以忽略，研究者可利用卫星观测到的结果，以数学方法推算出磁场在地核顶部的分布。地核内具有更为剧烈、复杂的磁场，而且也是磁场变动的真正发源处，但是研究人员可推算的极限是在地核–地函交界处；因为地核内的电流极强，因此无法直接测量内部的磁场。尽管在此既有限制之下，研究人员仍然得到了许多重要的观测结果，包括关于磁极可能开始反转的线索。




图中显示大部份的磁通量是由南半球向外穿出地核，而在北半球向内进入地核。但在少数特殊区域，情况却正好相反。这些所谓的反向通量斑块在1980~2000年之间增生、扩张；如果它们扩展到涵盖两极，可能会发生磁极反转。

重要的发现之一，是地球的大部份磁场仅来自地核–地函交界面上的四个广大区域。虽然地球发电机所产生的磁场非常强烈，但是磁场的能量只有约1％可以延伸到地核外。在地表进行测量时，这个磁场最显着的结构是偶极，多数时候与地球自转轴大致平行。地磁就如同一根普通的磁铁棒，而这个磁场的主要磁通量是在南半球由地核向上穿出，并在北半球向内进入地核。（指北针的磁针之所以会指向地球的地理北极，就是因为上述偶极的磁南极正好在那附近。）但人造卫星显示，磁通量并非是均匀遍布全球的。偶极磁场的强度大部份是来自北美洲、西伯利亚和南极洲沿海地表下方。

任职于德国卡特伦堡–林岛的马克士普朗克太阳系研究所的克里斯坦森（Ulrich R. Christensen），推测这些大区块是来自地核内部持续变化的对流结构，而且在几千年间不断改变。有没有可能，类似的现象是造成磁偶极反转的原因？由地质记录得到的证据显示，过去的反转事件周期相当短，约4000~10000年。就算地球发电机停止运作，磁偶极也得要将近10万年才会自行消失。因此，这么快速的变化，暗示了有某种不稳定性破坏了原来的极性，同时产生新的极性。

对个别的反转事件而言，这神秘的不稳定性可能是流场结构的某种混沌变化，只能偶尔成功的逆转磁偶极。但发生反转的频率在过去1亿2000万年间稳定增加，可能是有外在的控制因素。其中一个可能，是地函底部的温度变化能迫使地核改变其内部上升流动的结构。


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。


资料来源:写意论坛

不知道反转后对地球有怎样的影响
希望不要灾难发生

有个小疑问：内地核为什么不会也变成液态呢？

内地核是离子态吧,高温高压下,所有物质都游离了,就变成电浆(电子到处跑)

还有个疑问~
地球底下有着~不断环绕流动的汪洋~
那为什么陆地不会沈到底下~

下面是引用fordly于2005-05-24 22:17发表的 :
还有个疑问~
地球底下有着~不断环绕流动的汪洋~
那为什么陆地不会沈到底下~

你说的不断流动的「汪洋」是指地函的部分吗??

不会沉下去的原因很简单，就是密度的关系阿

地函虽然是流动的，但是他的密度可是相当大的喔(详细数据我忘记了 XD)
相对来说，我们所谓的大陆地壳、与海洋地壳的密度其实都很小，
自然就会浮在这个「流动的汪洋」之中了

希望这样解释你能听的懂。

地球磁场反转到一个阶段的时候 磁场会特别小~所以太阳发出的电子就直接攻击地球 而不会被引到极地产生极光

地磁反转会不会带来地球的剧变阿