博文
地球磁场和太阳风暴
||||
地球磁场和太阳风暴
最强烈的太阳风暴源于太阳黑子活动的峰年期，黑子的实质是剧烈活动的呈紧密缠绕状态太阳环向磁场，像拉紧的皮筋，易被扯断，扯断之后太阳大气中的能量会释放出来，形成耀斑，向太阳系空间发射出大量高速高能粒子和带电粒子的混合体等，形成强烈的太阳风，我们习惯称它为“太阳风暴”。这些被抛射出的粒子会到达地球，但地球本身有一个强大的磁场，于是这些粒子流会撞击地球磁场和大气层，形成一个形状像一头开口的口袋一样的地球磁层。绝大部分太阳高能粒子被阻挡在地球磁层之外，仅有少数太阳高能粒子穿透地球磁层，沿着地球磁力线进入地球内部。地球磁场的磁力线从南极流向北极，在两极地区形如漏斗，尖端对着地球的南北两个磁极，因此太阳发出的带电粒子沿着地磁场这个“漏斗”沉降，一般进入地球的两极地区，两极的高层大气，受到轰击后会发出光芒，形成极光。地球磁场实际上是对太阳风（暴）起到了一个屏蔽、抵御和保护地球的作用。
地球磁场是地球的重要物理场之一,展布的空间很大，包围地球，像保护伞一样保护着地球上的生物免受宇宙辐射的伤害，其中就包括把绝大部分“太阳风”粒子阻挡在地球之外，成为地球的重要环境因素之一，对人类的生存和发展起着至关重要的作用。
我们一方面要观察、研究太阳风暴本身，一方面要考虑地球磁场和大气的防护能力，两者综合起来才能把影响考虑周全。尤其是我们的磁场，因为它不但被我们关注的少，而且我们“盾”也并不让人乐观，有研究发现，我们的地球磁场正在变弱。
科学家的近期研究表明，地球磁场正在迅速减弱。在过去的160年里，磁场强度令人吃惊地下降了10%。比如丹麦行星科学中心一个研究小组，详细分析了丹麦“阿斯泰兹”号人造卫星收集的最新资料，在对比新旧数据后惊讶地发现，地球两极的磁场正在变化，南大西洋和北冰洋的磁场都出现了多个大洞。科学家分析，南大西洋和北冰洋下方的液体金属地核(外核)可能出现了巨型涡流，从而影响了其上空的磁场。由于巨型涡流的力量足以逆转其他涡流的方向，因此极有可能令地磁场南北极就此开始大翻转。另外通过对1980年～2000年的地球磁场研究发现，地球磁场存在很大的地理差异：在亚洲、太平洋地区磁场变化较小，非洲、欧洲和大西洋的变化非常大，变化最大的地区是非洲南端，在这个地区的磁场极性与正常的极性刚好相反。
磁极翻转作为一种地质事件，在地球发展史上曾经出现过，许多国家已经从地质勘测中研究火山岩和沉积物中的金属粒子所构成的远古磁场查到了地磁反转的证据。研究发现，在最近 600万年间发生了三次翻转，这三次的间隔的时间不等，最近的一次翻转是在70万年前。所以“翻转”是在很长的时间尺度上发生的。而地磁场发生逆转前，磁力急剧减弱，甚至或出现零磁场，就是说磁场衰减则是翻转过程中的一种现象。
目前有些地区地磁场的强度确实有下降的趋势，但是否意味着磁场的强度还会持续降低，是否意味着地磁将要在未来的千百年的尺度内翻转了，科学家还存在争议，没有定论，需要继续观测和深入研究，英国的《自然》杂志和美国的《科学》杂志近几年都相继发表相关的文章对这一现象进行了探讨。
地球刚形成时是物质分布比较均匀的，而后发生了重力分异运动。所谓重力分异，可以简单地理解为，重的物质比如铁，向地心下沉，轻的如硅，往地表上升。由此，地球由一个匀速自转的均匀地球，演化为圈层差异旋转的分层地球，即地壳、上地幔、下地幔、外核和内核旋转的角速度不同，其中内核快速旋转，内核是固态的铁，外核是粘滞性很低的导电液态铁，在差异旋转及各种天体作用力下，在外核尤其是内外核交界处形成快速旋转的环形电流,从而生成了地磁场。重力分异过程不仅使地球质量向地心集中，而且使地球旋转动能向地核集中。地核和地幔的差异旋转导致圈层角动量交换，部分自转动能通过摩擦转变为热能，积累在外核，形成地球内部唯一的液态圈层。与此同时，由于角动量交换，地核旋转变慢，地幔旋转变快，圈层差异旋转方向发生反向变化，导致地球磁极倒转。所以，地磁变化与外核旋转热涡流密切相关。
根据人造卫星过去20年录得的磁场变化数据，发现在地下深层产生地球引力的熔流，在接近南北极位置出现巨大旋涡，并以加强磁场逆转的方向转动，因而削弱现有磁场，可能会导致两极易位。
地磁极反转首先能引发强烈的构造运动。热能积累在外核导致地核膨胀，胀裂地幔，核幔边界的地幔热流——热幔柱顺势上升，形成地表巨大火成区。这是中生代温暖期火山频发与异常的静磁带（地磁极性长期不变带）对应的原因。
其次，地磁极性反转会产生一个地磁强度为零的时期。由于失去地磁的保护，太阳风的高能粒子横扫地球表面，导致生物的死亡和灭绝。大家知道地球生物曾经发生过大灭绝的现象，比如某些有孔虫在几百万年前之突然全部灭种、中生代恐龙之突然灭绝等，但同时一些其他种类的动物突然出现，比如哺乳动物，这些突变都与地磁反转在时间有吻合之处，值得我们研究，特别是发生零磁场的时候和生物演进的关系。但确切的关系是怎样的，我们还不清楚，因为目前来说在数据上的证据并不明显。另外，利用现在技术进行模拟试验研究也没有可行性，任何一个实验室都无法完成如此巨大规模的模拟实验。
太阳风暴发生过程中来自太阳的带电粒子很容易迸入极区产生电离作用，发生极光，当然也会引起磁暴和电离层暴，在地磁场中的运动会产生强大的感应电流，其结果可能导致该地区电网变压器的铜线快速加热并被融化，电流失去控制，严重损坏该地区的电力系统、通讯线路，如果地球磁场强度减弱，捕获能力就会减弱，那么发生电离的范围就会扩大，电网等被损害的范围可能会随之加大。地磁变化应该成为我们研究这次太阳风暴影响的重要的考虑因素，加以重视。
计算机模型的计算结果也表明，如果两个磁极的强度继续减弱，则来自太阳的粒子流便可能使高达40%的地球高纬度臭氧被破坏，每次的破坏时间将长达数月至一年之久，这也为南北极海冰融化提供了合理的解释。
到达地球的太阳辐射能大约有2%被平流层的臭氧吸收，7%被电离层吸收。当黑子活动高峰发生太阳风暴时，会大量破坏南极臭氧，随之产生“臭氧洞漏能效应”和“地磁层漏能效应”，使被臭氧层阻隔的2%太阳能由平流层进入对流层，导致南极平流层变冷对流层变暖。收缩的平流层自转变快，膨胀的对流层自转变慢，这是赤道高空风产生的一个原因。拉马德雷现象就是太平洋上空高速气流方向转换的现象，拉马德雷暖位相增强厄尔尼诺事件，拉马德雷冷位相增强拉尼娜事件，从而影响大气环流和全球气候变化。两极臭氧洞的“臭氧洞漏能效应”和“地磁层漏能效应”使太阳能量进入两极，北极和南极大陆边缘的海冰大量融化，打开南美洲德雷克海峡的海冰开关，减弱秘鲁寒流，进一步增强厄尔尼诺现象。与此同时，增高的海洋表面温度使更多氯元素从海洋进入大气，使臭氧洞进一步扩大，从而进一步影响气候、增加灾害性天气发生的几率。地球历史表明，强地磁场对应地球的寒冷气候，如第四纪冰期；弱地磁场对应高温气候，如中生代的温暖期。地磁场减弱也是全球变暖的原因之一：地磁场减弱导致更多太阳能量进入地球。
太阳磁场除了能够调制进入大气的高能粒子流外,可以通过某种磁电耦合机制影响地球系统。太阳风磁场和地磁暴的相关性是明显的,也可以引起高层大气磁活动和环形电流的相应变化。据研究，太阳活动与旱涝灾害、厄尔尼诺事件、世界流感的发生密切相关，其发生规律有待于进一步研究。有专家认为，太阳风的高能粒子流从两极进入地球，是形成地震的能量之一，极光是其在大气中的表现。磁暴是地震学家预测地震和灾害的手段。
人们普遍忽视地电和地磁的存在，认为它们太微弱，几乎难以发挥作用。事实并非如此。一个偶然的机会，我发现一片树林明显地向北方倾斜，原来北部有平行的高压电线，电磁能对树林而言竟比太阳光更具有吸引力。地磁场的异常变化使地表地电场也发生变化，形成地电正异常区和负异常区。地表水从地电正异常区蒸发到高空，带的是正电；从地电负异常区蒸发到高空，带的是负电。由于同种电荷相吸，异种电荷相斥，带有异种电荷的云团最容易相互吸引而形成雷雨。相反，带有同种电荷的云团相互排斥，形成该地区的干旱。冰岛、非洲中西部和南大西洋是三个负电异常区，它们之间的地区是明显的干旱区，其中就有最干旱的撒哈拉沙漠；其两侧的北美洲和亚洲是正电异常区，在正、负异常的交界带，是高降水量区。当电磁异常区发生变动时，电场的强度和极性也发生相应变化，由此引起的降水量改变导致全球旱涝灾害在不同地区发生。改变云团的带电状态是异常旱涝灾害发生的重要原因。谈到地质变化，地磁地电还是与地震有密切关系的，现在的地震观测的一个重要手段就是对地磁（电）的监测。至于内在的机理，举个例子，携带大量磁性粒子的地下的岩浆因为失去地磁的束缚而改变流向和流速，而岩浆流向的改变将使地球固有板块的运动规律发生变化，而岩浆流速的降低将使岩浆自身的温度平衡机制遭到破坏，使地球不同部位之间地温温差增大，这将会产生地震频率和强度的增加。
种种迹象和研究表明，地球磁场是地球变化的重要因素，我们必须加强这方面的研究，把它加入到到引起自然变化因素中去。近年来全球地震、干旱、洪水、高温等极端气候的出现，不能排除和地磁减弱的关联。如果在今后若干年内，这些灾害气候频率和强度有增加趋势的话，并且地表测得宇宙射线辐射剂量同步增大，则可以确认这种关联。
https://m.sciencenet.cn/blog-2277-363907.html
上一篇：中国科技期刊兴亡录
下一篇：北国之秋
