Only Perception: 地球磁場逆轉可由小核心波動解釋

2009-09-30

地球磁場逆轉可由小核心波動解釋

Reversals of Earth's Magnetic Field Explained by Small Core Fluctuations
http://www.physorg.com/news159704651.html

By Lisa Zyga, April 23rd, 2009

(PhysOrg.com) -- 基於老火山玄武岩的各家研究，科學家知道地球的磁場以不規律的間隔（範圍從幾萬到幾百萬年）逆轉。火山的玄武岩包含磁鐵礦，而當岩石冷卻時，它的磁性特性會凍結，記錄下地球那時的磁場。利用這項資料，科學家估計最近的地磁逆轉發生在大約 780,000 年前。

雖然火山玄武岩揭露逆轉何時發生，但要尋找地球磁場為何或如何逆轉的證據卻分外困難。在一項最近的研究中，來自 Ecole Normale Superieure 以及 Institut de Physique du Globe de Paris（二單位均在巴黎）的研究者提出了一種一般性的機制，那為磁場逆轉提供一個簡單的解釋。在其模型中，地球核心對流中的小型波動能將這個星球敏感的磁系統從某一極推向一種中間狀態，在此這個系統變成受相對磁極的吸引。

"我們發現一種機制，那對於地球磁場逆轉的諸多特色提供了簡單的解釋，" Ecole Normale Superieure 的 Francois Petrelis 表示。"尤其，它解釋逆轉的存在與形式（shape，緊接在快速階段 (fast phase) 之後到來的緩慢階段 (slow phase)）；夭折逆轉（aborted reversals，即「偏離」 (excursions)）的存在與形式；逆轉的統計學特性以及持續非常長的一段時間而沒有逆轉的可能性（「超時 (superchrons)」）。"

在當前，地球的磁場能被描述成磁雙極（magnetic dipole，磁偶極），當前有磁南極位在地球的地理北極附近，而磁北極則靠近地理南極附近（這二個磁極都沿著地球的自轉軸歪斜約 11.3 度，譯註：因此，指南針才會指向南方）。這樣一個長壽磁場的存在可由電動機理論（dynamo theory）來解釋，那描述一種對流的、導電的流體如何能維持在某個磁場內。

如科學家所提，除了這個偶極磁場外，此逆轉機制倚賴一種二次磁性模式（second magnetic mode）的存在。二次模式的存在，例如一種四極磁場（quadrupolar field），能顯著影響磁系統如何對赤道對稱性（equatorial symmetry）中的變化作出反應。一如研究者的解釋，赤道可視為一對稱平面，而地球外核中的對流通常是南北對稱的。先前對古地磁資料的研究指出，逆轉涉及雙極與四極模式間的交互作用，那與赤道對稱中的改變相關。在支持這種想法上，最近某些數值模擬已經證明，當對流仍為赤道對稱性時，逆轉並不會發生。

"四極磁場（那很有可能有四個磁極，但其他構造也有可能）也是由地球液態核心的流動所產生，與雙極磁場完全相同，" 研究者解釋。"絕大部份的時間，我們看見一種雙極磁場，因其容易由這種對流產生，但在其他狀態中，四極磁場仍能維持，而這以一種暫時性方式在逆轉期間發生。"

為了進一步解釋這種雙極--四極交互作用，科學家們訴諸一種模型，那最近用來描述某種磁場的力學（dynamics）。該磁場在一種非常不一樣的系統中產生：一項涉及液態鈉 von Karman 渦流（swirling flow，那如同地球的磁場，由發動機效應所產生）的實驗室實驗。科學家們提出，有種一般性機制能夠解釋這二種磁場，獨立於這二種系統的不同對稱與速度。

"我們已證明，若地球的雙極磁場耦合至另一種磁性模式（例如四極磁場），這種耦合提供一種途徑將雙極翻轉成與之相反的狀態，" 科學家表示，"如果這種耦合夠強，磁場將自發性地在這二種模式以及它們相反的二極之間振盪。我們將接著觀察這種磁場週期性的逆轉（這是太陽磁場的例子，其週期為 22 年）。在地球的例子中，這種耦合不夠強烈，所以看不到這種振盪。液態核心需要快速波動來觸發逆轉。"

在這種模型中，對流中的小波動能將這個系統從某一極推向居中的四極狀態，在此它變成受相反磁極吸引。逆轉以二階段發生：一種是緩慢階段，在此波動是演化的原動力，另一種是快速階段，其間的力學不依賴波動。在第一階段其間，雙極振幅緩慢地減少，似乎會持續約 5 萬年（30,000- 70,000 年）。第二階段，在雙極模式消失時開始，相當迅速，以相反極性恢復的雙極需要一萬年。有時，在第一階段結束時，系統會完全恢復到最初的磁極，在地球上發生時，那被稱為「偏離（excursions）」。然而，若該系統確實逆轉，此行為會相對較突然地發生。

科學家提到，波動的振幅不需要大："對流的波動不會將磁場關閉，然後以相反磁極產生，" 他們表示。"相反地，此雙極磁場會在逆轉其間持續改變形式，因其他模式的振幅（例如四極）會持續增加，而雙極卻會減少。當雙極構成消失，那會再一次以相反的極性增加，而其他模式的振幅則減少。"

這個模型顯示，磁場在某階段的持續時間端看對流波動的強度以及二模式間的耦合效率。即使是對流中溫和改變都能大大地影響磁場的持續時間，那能夠說明「超時（superchrons）」 -- 非常長的時期沒有地磁逆轉。雖然對於地球核心內部的真實流動所知不多，不過最近觀察證明「超時」結束通常緊接在大規模氾濫的玄武岩爆發之後。在科學家的模型支持下，這樣的爆發很可能會使位於地核、地幔邊界的對流產生赤道對稱性破壞。

※ 所以最近赤道附近的地震很多？

＊ Simple Mechanism for Reversals of Earth's Magnetic Field
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.102.144503

Francois Petrelis, Stephan Fauve, Emmanuel Dormy, and
Jean-Pierre Valet
Phys. Rev. Lett. 102, 144503 (2009) [4 pages]
doi: 10.1103/PhysRevLett.102.144503