地球?yàn)槭裁从写艌?chǎng)？

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻譯 程思淼

地球?yàn)槭裁从写艌?chǎng)？

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻譯 程思淼

柯文采（Thijs Kouwenhoven）

地球的磁場(chǎng)

地球上很多動(dòng)物體內(nèi)都有內(nèi)置羅盤(pán)，它們因此能夠感知到東、西、南、北的方向。鴿子就是其中之一，它們能借助體內(nèi)的“磁受體”找到回家的路。老鼠、蝙蝠、細(xì)菌、鼴鼠和蜜蜂中的一些種類(lèi)也能利用磁受體感知方向。兩千多年前，在漢代的中國(guó)，人類(lèi)制造了第一個(gè)羅盤(pán)。當(dāng)時(shí)人們稱之為“司南”。那時(shí)候，羅盤(pán)主要用于宗教目的和占卜。羅盤(pán)技術(shù)在宋代得到改進(jìn)，此時(shí)中國(guó)人已經(jīng)把它用作導(dǎo)航的工具，尤其是海上的導(dǎo)航。發(fā)明后差不多一千年，羅盤(pán)經(jīng)絲綢之路逐漸傳入中東、非洲和歐洲。很多世紀(jì)之后，人們才將羅盤(pán)的活動(dòng)解釋為地球磁場(chǎng)的影響結(jié)果。此后不久，物理學(xué)家意識(shí)到，地球磁場(chǎng)具有北極和南極，而且它不僅存在于地球表面，也存在于地球周?chē)目臻g中。

對(duì)地球磁場(chǎng)的首次測(cè)量發(fā)生在2000年前的中國(guó)。那時(shí)，人們發(fā)明了羅盤(pán)。羅盤(pán)最初用于宗教和文化的目的，改進(jìn)之后成為導(dǎo)航和軍事的工具。這幅攝于開(kāi)封的圖片展示的是漢代司南的模型。圖片來(lái)源：Wikipedia

加拿大北部地區(qū)的極光。圖片來(lái)源：APOD

地磁場(chǎng)保護(hù)我們免于危險(xiǎn)的宇宙射線的傷害，這其中主要是太陽(yáng)風(fēng)（從太陽(yáng)拋射出的高能粒子）的威脅。幾乎所有吹向地球的太陽(yáng)風(fēng)都在地磁場(chǎng)的作用下偏離了方向，地球生物圈和臭氧層因此免于毀滅的命運(yùn)。不過(guò)，這一磁場(chǎng)無(wú)法有效地保護(hù)地球兩極附近的地區(qū)。太陽(yáng)風(fēng)轟擊大氣分子，于是就產(chǎn)生了兩極上空飄動(dòng)的或紅或綠的美麗的光帶——極光。

如果地磁場(chǎng)消失了，又會(huì)發(fā)生什么呢？那將是一場(chǎng)大災(zāi)難。以太陽(yáng)風(fēng)為首的危險(xiǎn)的宇宙射線將毫無(wú)遮擋地從各處貫穿大氣層。這些高能粒子會(huì)撞擊任何它遇上的東西：撞擊高層大氣中的氮和氧的原子（發(fā)出紅色和綠色的光），撞擊臭氧分子（導(dǎo)致臭氧層的破壞），以及撞擊植物和動(dòng)物的DNA（造成癌變）。

我們的衛(wèi)星——月球——沒(méi)有明顯的磁場(chǎng)。登月的宇航員暴露在來(lái)自太陽(yáng)和其他源頭的宇宙射線之下，所以必須穿上厚重的宇航服才能保護(hù)自己。未來(lái)中國(guó)的空間站和現(xiàn)在國(guó)際空間站上的宇航員，多少也受到這樣的威脅。同樣，金星和火星也不怎么幸運(yùn)：這兩顆行星都沒(méi)有足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)來(lái)保護(hù)自己免受太陽(yáng)風(fēng)的打擊。結(jié)果，金星和火星的大氣都在遭受雖然緩慢，但是持續(xù)不斷地破壞。而且，金星由于離太陽(yáng)更近，遭到的破壞更厲害。火星上缺乏磁場(chǎng)，也給人們未來(lái)殖民火星的計(jì)劃帶來(lái)了困難。如果我們打算在火星上居住，也許要把居所建在地下好幾米深的地方，才能保護(hù)我們不受宇宙射線的威脅。

好在我們的地球一直有一個(gè)足夠強(qiáng)大的磁場(chǎng)，保護(hù)生命在地球上得以誕生和演化。地質(zhì)學(xué)家通過(guò)研究很久以前形成的巖石，可以測(cè)出地球磁場(chǎng)在幾百萬(wàn)乃至幾十億年前的強(qiáng)度。這些巖石有的是通過(guò)火山活動(dòng)形成的（火成巖），有的是通過(guò)沉積作用形成的（沉積巖）。在這些巖石形成的階段，當(dāng)它們還沒(méi)有完全固化的時(shí)候，其中混雜的微小金屬粒子會(huì)在磁場(chǎng)的作用下規(guī)則地排列起來(lái)。

通過(guò)比較這些巖石的數(shù)據(jù)與近幾百年來(lái)對(duì)地磁場(chǎng)直接測(cè)量的結(jié)果，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，地磁場(chǎng)有著游移不定的運(yùn)動(dòng)，有時(shí)還會(huì)上下顛倒。北磁極目前位于加拿大北部，但它正以每年60千米的速度緩慢地向俄羅斯方向移動(dòng)。更離奇的是地磁場(chǎng)的反轉(zhuǎn)（北極變成南極、南極變成北極）。這種反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的出現(xiàn)并沒(méi)有嚴(yán)格的規(guī)律，但大體上每過(guò)100萬(wàn)年左右會(huì)有一次。上次反轉(zhuǎn)發(fā)生在78萬(wàn)年前。反轉(zhuǎn)本身并沒(méi)有太大的危害，但在它們發(fā)生前后的一小段時(shí)間（幾十到幾百年）里，地磁場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)接近于零，而這是非常危險(xiǎn)的。由于現(xiàn)有的模型還不夠好，我們并不知道下次磁極反轉(zhuǎn)會(huì)在什么時(shí)候到來(lái)。通過(guò)對(duì)巖石的測(cè)量，我們能夠知道的是，現(xiàn)在地磁場(chǎng)的強(qiáng)度比起發(fā)明羅盤(pán)的漢代下降了35%；而在過(guò)去150年里，這一數(shù)值下降了10%～15%。

地球磁場(chǎng)保護(hù)我們免于宇宙射線，尤其是太陽(yáng)風(fēng)的威脅。只有在北磁極和南磁極附近的兩塊狹窄的環(huán)形區(qū)域，地磁場(chǎng)無(wú)法對(duì)大氣形成有效的保護(hù)。因此，我們?cè)谶@兩個(gè)地區(qū)可以看到極光。每過(guò)100萬(wàn)年左右，地球的磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)。在反轉(zhuǎn)前后的一段時(shí)間（幾十到幾百年）里，地磁場(chǎng)的強(qiáng)度接近于零。因此在這段時(shí)期，地球得不到磁場(chǎng)的保護(hù)。圖片來(lái)源：Michael Osadkiw (University of Rochester)

地磁場(chǎng)的起源

雖然關(guān)于地磁場(chǎng)起源的“自激發(fā)電機(jī)理論”已經(jīng)走過(guò)了近百年的發(fā)展，但是地質(zhì)學(xué)家在細(xì)節(jié)上仍然沒(méi)能達(dá)成一致。這個(gè)理論的主要論點(diǎn)是：地球內(nèi)部有大量熔融的巖石和金屬；它們的大規(guī)模流動(dòng)，加上地球的自轉(zhuǎn)，造成了地球的磁場(chǎng)。

要進(jìn)一步理解這是如何發(fā)生的，我們首先需要對(duì)地球的成分有所了解。地球主要由兩類(lèi)物質(zhì)組成：巖石和金屬。由于金屬一般比巖石要重（即密度大），它們大多沉到了地球的中心，形成一個(gè)由金屬組成的地核。地核的溫度非常高，這主要有兩個(gè)原因：第一，整個(gè)地球在形成之初都是非常熾熱的，而地核由于處在中心，至今還沒(méi)有冷卻下來(lái)；第二，有很多放射性金屬沉到了地核，它們的輻射會(huì)產(chǎn)生熱量。隨著越來(lái)越多的金屬向地心下沉，地核也變得越來(lái)越大。包圍在地核外面的是由巖石組成的地幔，這些巖石也非常熾熱，因此不能保持固定的形狀。地幔中這些巖石的流動(dòng)，是地球表面大陸漂移的主要原因。巖石質(zhì)地球的表層完全冷卻，就形成了堅(jiān)固的地殼。有時(shí)，地幔的大規(guī)模流動(dòng)會(huì)沖擊地殼，引起地震和火山爆發(fā)，不過(guò)大部分時(shí)候兩者還是和平相處。最后，在地殼的頂端，有薄薄的一層水（海洋）和少量的空氣（大氣層）。

地球幾乎全是由巖石和金屬組成的。由于金屬比較重，它們大部分下沉到地心，形成了金屬質(zhì)的地核。地核溫度非常高，因?yàn)榈厍蛟谡Q生之初是非常熾熱的，而地核還沒(méi)有完全冷卻；另外，放射性金屬加熱了地核。地磁場(chǎng)說(shuō)到底是由地核產(chǎn)生的。包圍著地核的是地幔。地幔主要由不成形的巖石組成。地幔的頂端是薄薄的固態(tài)巖石（地殼）以及少量的水和大氣。圖片來(lái)源：BarisSimsek / Sciencedaily(https:// www.sciencedaily.com/ releases/2010/10/101027 133152.htm)

幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，地質(zhì)學(xué)家建立各種模型，并進(jìn)行了大量的實(shí)地測(cè)量，以理解地球磁場(chǎng)的運(yùn)作機(jī)制。他們的工作可以總結(jié)如下：

1.地磁場(chǎng)是在地核產(chǎn)生的；

2.隨著越來(lái)越多的金屬下沉，地核在不斷成長(zhǎng)；

3.直到過(guò)去10億年里，地核的大小才足以產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)；

4.對(duì)巖石的分析表明，地球至少在34.5億年前就有磁場(chǎng)了，并且綿延至今，幾乎不曾斷絕。

顯然，最后兩條是矛盾的。一定是哪里弄錯(cuò)了。這個(gè)問(wèn)題困擾了地質(zhì)學(xué)家很多年。他們是不是忘了考慮什么因素？好在天文學(xué)家可以給出一個(gè)！

這與月球有關(guān)系

上面說(shuō)到的問(wèn)題，已經(jīng)由一個(gè)來(lái)自法國(guó)的天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)解決了。他們?cè)诎l(fā)表于《自然》雜志的論文（Badro et al. 2016, Nature）里解釋說(shuō)，月球可以為這個(gè)問(wèn)題提供一個(gè)答案。月球的形成，大抵是地球與另一顆火星大小的行星（稱為“忒亞”，Theia）撞擊的結(jié)果。同地球一樣，“忒亞”也由核和幔兩部分組成。撞擊之后，“忒亞”幔的一部分被拋到太空中，凝固并形成了月球。而剩下的大部分物質(zhì)，包括它的核，則與地球融合了。這個(gè)“忒亞”與地球融合的產(chǎn)物（即今天的地球）一開(kāi)始是很混亂的，兩個(gè)行星的核與幔混雜在一起。后來(lái)，“忒亞”中的金屬成分才慢慢下沉到地球中心，并與地核融為一體。

關(guān)于月球的起源，最廣為接受的理論認(rèn)為：它是一顆火星大小的天體（被命名為“忒亞”）與地球相撞的產(chǎn)物。這一毀滅性事件產(chǎn)生了兩個(gè)積極的結(jié)果：一是給我們帶來(lái)了月球；二是按照巴德羅等人在發(fā)表于《自然》雜志的論文（Badro et al. 2016）中的看法，這場(chǎng)撞擊使地球在幾十億年里一直得到磁場(chǎng)的保護(hù)。圖片來(lái)源：Buzzle.com

這些金屬成分在下沉的過(guò)程中，也會(huì)帶著其他的成分一起下沉。其中特別值得注意的是氧化鎂（MgO）。氧化鎂在地幔中非常常見(jiàn)。它有兩個(gè)重要的性質(zhì)：第一，氧化鎂是一種親鐵（siderophile）物質(zhì)，也就是說(shuō)，（在溫度不是很高的時(shí)候）它特別喜歡跟鐵待在一起；第二，氧化鎂的密度比鐵要小很多，因此，它傾向于待在地幔的上層。于是，氧化鎂的經(jīng)歷就好像一個(gè)風(fēng)流浪子的愛(ài)情故事：它跟著鐵去到它受不了的地方。氧化鎂陷入對(duì)鐵的愛(ài)情，隨著它下降到地球的中心。但這愛(ài)只在溫度不太高的時(shí)候才能維持。一旦鐵和氧化鎂進(jìn)入地核，周?chē)臏囟葧?huì)迅速上升。到了接近地心的某個(gè)點(diǎn)，氧化鎂決定分手，然后迅速向上浮。隨著上浮，溫度又下降，這時(shí)候氧化鎂又可以愛(ài)上另一個(gè)鐵，開(kāi)始一段新的地心之旅了。

可以想見(jiàn)，鐵的不斷下沉和氧化鎂上上下下的運(yùn)動(dòng)，把地球的中心攪得天翻地覆。按照論文作者的說(shuō)法，正是這個(gè)愛(ài)情故事催生了距今10億年以前的地球磁場(chǎng)。為了檢驗(yàn)他們的理論是否有效，論文作者還在法國(guó)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里設(shè)定各種地心的條件，用熔巖、鐵和氧化鎂（以及其他一些對(duì)此沒(méi)什么影響的材料，比如氧化鋁，Al2O3）等材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

不難想見(jiàn)，當(dāng)本來(lái)屬于“忒亞”的鐵全部下沉到地球中心之后，上述的過(guò)程也就停止了。這一轉(zhuǎn)變看來(lái)發(fā)生在10億年前，也就是地核剛好成長(zhǎng)到足以產(chǎn)生自己磁場(chǎng)的前后。換句話說(shuō)，看樣子，這些法國(guó)科學(xué)家已經(jīng)解決了遠(yuǎn)古地球磁場(chǎng)的難題！

木星上的極光與磁場(chǎng)示意圖。右上角的小圖中，紫色的假彩色部分是來(lái)自錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)拍攝到木星極光中的強(qiáng)烈X射線輻射。圖片來(lái)源：APOD

對(duì)其他行星的推論

那么，上述結(jié)論對(duì)地球，對(duì)太陽(yáng)系的其他行星，以及對(duì)潛在的宜居行星來(lái)說(shuō)，意味著什么呢？首先，我們似乎是很幸運(yùn)的，因?yàn)榈厍蚝汀斑瘉啞毕嘧彩窃诤芫靡郧鞍l(fā)生的。這場(chǎng)撞擊不僅給我們留下一顆衛(wèi)星，還留給我們一個(gè)在幾十億年時(shí)間里保護(hù)生物繁衍與演化的磁場(chǎng)。如果這場(chǎng)撞擊從未發(fā)生過(guò)，地球（和地球上的生命）將會(huì)怎樣呢？這很難說(shuō)。但有一點(diǎn)是無(wú)疑的：我們目前在地球上見(jiàn)到的各種生物，在沒(méi)有磁場(chǎng)保護(hù)的日子里，處境都將十分艱難。

那么火星和金星情況如何呢？也許這兩顆行星也和其他的大天體發(fā)生過(guò)碰撞。這是很有可能的，因?yàn)榘凑招行切纬傻睦碚?，一開(kāi)始有十幾個(gè)火星大小的天體在繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。不過(guò)，由于金星演化成了一顆沒(méi)什么自轉(zhuǎn)的行星，它也就無(wú)法擁有磁場(chǎng)。而火星雖然有自轉(zhuǎn)，但由于個(gè)頭比較小，它的核和?，F(xiàn)在已經(jīng)凝固，磁場(chǎng)早在幾十億年前就消失了。

我們現(xiàn)在還無(wú)法測(cè)量系外行星的磁場(chǎng)強(qiáng)度。不過(guò)，鑒于行星磁場(chǎng)對(duì)于（至少就我們所知的）生命形成和演化的重要性，行星磁場(chǎng)學(xué)將來(lái)有望成為一門(mén)顯學(xué)，成為全世界的地質(zhì)學(xué)家和天文學(xué)家緊密合作的新領(lǐng)域。