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[自然科學] 地球磁場即將反轉(3)
在過去1億5000萬年間,地球的磁極以不同頻率反轉了數百次。科學家經由研究磁性礦物而發現這些反轉事件。當岩石受熱,其中的磁性礦物會順應地球磁場而排列,因此礦物能保存岩石冷卻時的地磁方向。

其他研究團隊分析了磁場衛星和厄斯特衛星觀測的分佈圖,發現可能引發磁極反轉的變動跡象。余洛(Gauthier Hulot)和他在法國巴黎地球物理研究院的同事注意到,地球磁場的持續變異,是來自地核–地函交界面上某些磁通量方向與整個半球相反的區域。這些所謂的反向通量斑塊(reversed flux patch)中,最大的一塊由非洲南端下向西延伸至南美洲南端下方。在這個斑塊裡,磁通量向內進入地核,然而南半球大部份磁通量是指向外的。

斑塊的產生
研究人員比較了最近由厄斯特衛星觀測到的磁場以及1980年的觀測結果。所得到最重要的結論之一,是新的斑塊持續在北美東岸及南極等地區下的地核–地函交界處形成。更重要的是,較老的斑塊面積擴大了且略向兩極方向靠近。1980年代晚期,英國里茲大學的加賓斯(David Gubbins)研究較老舊、粗略的磁場圖,發現反向通量斑塊的增加、擴張和往兩極移動,可解釋磁偶極隨時間減弱的情形。

這些觀測結果可以利用磁力線的概念解釋(實際上,磁場在空間中是連續的)。我們可以想像,這些磁力線「凍結」在液態鐵核中而隨之運動,就像是在水杯中的顏料線條被攪動時的樣子。在地核中由於科氏力效應,流體中的渦流將磁力線扭結成團,看起來就像一團團的義大利麵條。這樣的糾結把更多的磁力線壓縮在地核內,因而增加了磁場的能量。(如果這個過程不受抑制的話,磁場會無限制的增強。但是電阻會減弱、緩和磁力線的扭轉,適當阻止了磁場無限制的增強,但又不會破壞地球發電機的運作。)

具有強大磁通量的斑塊,不論方向是正是反,都是渦旋與地核內部的東–西向環狀磁場交互作用時,在地核–地函交界面上所形成。這些亂流般的流體運動可以把環狀的磁力線彎曲、扭轉成小圈,形成極向磁場(poloidal field),方向為南–北指向。有時這種扭曲是由湧升流裡上升的流體造成的。如果湧升流夠強,極向磁場環圈的頂端會被排出到地核之外。這樣的過程會使小圈的兩端穿過地核–地函交界處,產生一對通量斑塊。斑塊之一具有正常方向的磁通量(與該半球整體的偶極方向相同);另一個斑塊的通量方向則是相反的。

如果扭曲所造成的反向通量斑塊,比正常通量的斑塊更靠近地理極點,則會使磁偶極減弱,因為磁偶極對於在極點附近的變化最敏感。這確實說明了目前位在非洲南端下的反向通量斑塊。如果整個行星的磁極要真的反轉,反向通量斑塊需擴大到涵蓋整個極區;同時,另一個地理極點附近也會發生類似的區域極性全面變化。

利用超級電腦模擬
為了進一步深究反向通量斑塊如何發展,以及它們如何預示下一次的磁極反轉,研究人員在超級電腦上和實驗室內模擬地球發電機。現代地球發電機的電腦模擬始於1995年,有三個研究團隊:日本東京大學的陰山(Akira Kageyama)及其同事、美國加州大學洛杉磯分校的羅伯茲(Paul h. Roberts)與格拉茲麥爾(作者之一),以及英國艾克斯特大學的瓊斯(Christopher A. Jones)及同事,這些團隊各自發展數值模擬,能夠產生類似在地表觀測到的磁場。自此之後,針對長達數十萬年的模擬運算,結果顯示對流確實能造成地核–地函交界面上的反向通量斑塊,就像在人造衛星圖像上見到的一般。這些斑塊往往在磁偶極的自發性反轉前出現,而有些模擬也能產生磁偶極反轉的現象。

【意猶未盡嗎?欲閱讀完整全文,請參閱科學人2005年5月號〈地球磁場即將反轉?〉】

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



獻花 x0 回到頂端 [樓 主] From:台灣教育部 | Posted:2005-08-29 08:50 |

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