為什麼地球的磁場會在歷史程序中發生翻轉？人們在用數學方法模擬這種現象方面做了哪些嘗試？

古地磁學家邁克爾·富勒是加州大學聖巴巴拉分校的榮譽教授，現在是夏威夷大學地球科學與技術學院地球物理與行星研究所的高階研究員。他的研究主要集中在夏威夷熔岩中捕獲的磁記錄以及海底巖芯中的極移現象。以下是他的解釋。

我們從岩石中鎖定的磁記錄得知，地球的磁場在過去已經多次反轉。我們並不真正知道原因，但我們有一些理論正在透過數學模型得到證實。

我們還知道，太陽的磁場也會反轉——每 11 年一次，而地球的反轉則不規律。地球上最後一次地磁反轉大約發生在 78 萬年前。地球歷史上的反轉率似乎是每幾十萬年一次，但變化很大；至少在兩次情況下，磁場維持一種極性長達數千萬年。

關於支援科學新聞報道

如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於當今塑造我們世界的發現和思想的有影響力的故事的未來。

因此，我們擁有任何重大歷史記錄的僅有的兩個磁場——地球和太陽的磁場——都是雙穩態的。它們大部分時間都處於穩定狀態，磁場大致與自轉軸對齊。穩定的地磁場的形狀類似於地球中心的條形磁鐵。它就是所謂的偶極場——具有北極和南極。但有時，這個偶極場的極性會發生切換——北極和南極反轉——這個過程似乎需要數千年。

地球的磁場，像太陽的磁場一樣，是透過發電機作用產生的，這涉及到兩個過程。首先是從周圍的地磁場中產生新的磁場。這種“磁場再生”之所以發生，是因為磁力線被困在良好的電導體中，例如地球外核的熔融鐵。正如邁克爾·法拉第所證明的那樣，磁力線的運動會受到電流的阻礙，從而抵消這種變化。由於核心中的熔融鐵是良好的電導體，因此磁場被困在流體中——凍結場效應。當流體在施加於其上的力的作用下移動時，磁場會隨著流體一起移動。隨著核心的移動，磁力線被拉伸和扭曲，併產生新的磁場。

第二個過程是磁場的擴散。就像游泳池中的一滴彩色染料很快就會擴散到整個游泳池一樣，磁力線的濃度也會擴散到整個地球的外核中。然而，這種擴散必須與凍結場效應作鬥爭。

這兩個過程之間的平衡決定了磁場的演變——即磁場是衰減還是再生。在恆星和行星的較大尺度上，磁力線被捲入流體運動併發生扭曲。然後在它們擴散之前產生一個新的磁場。

地磁場不斷變化。地磁場主偶極部分的衰減時間，其恆定性和簡單幾何形狀允許透過磁羅盤進行導航，可能在 15,000 年左右。這種變化的最大部分涉及非偶極場中的較小特徵，這些特徵具有較小的時間常數和更復雜的幾何形狀。這種變化可能源於發電機作用的兩個過程之一或兩者都發生了微小的變化。

因此，罕見的磁場反轉很可能是由外核中較大的流動變化，或磁力線透過擴散捲入流動的方式發生較大變化引起的。導致這種重大變化的原因尚不清楚。事實上，這種波動可能只是發電機過程中連續波動的極端例子——外核天氣中的厄爾尼諾現象。

幾年前，洛斯阿拉莫斯國家實驗室的加里·A·格拉茨邁爾和加州大學洛杉磯分校的保羅·H·羅伯茨在地磁場的數學建模方面取得了顯著的突破。他們求解了外核的電磁和磁流體動力學方程，從而獲得了地磁場的計算機模擬。

該模擬產生了相對較長的時期，在此期間，磁場大致與旋轉軸對齊，並被極點的快速翻轉隔開。在這個模擬反轉過程中，非偶極場佔據主導地位。目前正在努力確定反轉過程中過渡場的形態。並希望這些結果能夠激發更真實的模型和對地球發電機工作原理的更好理解。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室地球物理與行星物理研究所的加里·A·格拉茨邁爾解釋了磁場反轉的計算機建模。

1995 年，我與加州大學洛杉磯分校的保羅·H·羅伯茨完成了並發表了第一個動態一致的三維地核發電機（地球液態外核中產生和維持地磁場的機制）計算機模擬。我們對超級計算機進行程式設計，以求解描述地球核心中流體運動和磁場產生物理的大量非線性方程。

模擬的地磁場，現在跨越了超過 300,000 年的等效時間，其強度、以偶極為主的結構和地表向西漂移都與地球的真實磁場相似。我們的模型預測，由於固體核心與上方向東的流體流動在磁力上耦合，其旋轉速度應略快於地球表面。最近對穿過核心的地震波的研究支援了這一預測。

此外，計算機模型在 300,000 年的模擬過程中產生了三次地磁場的自發反轉。因此，現在我們第一次獲得了關於磁反轉如何發生的三維、隨時間變化的模擬資訊。即使在我們的計算機模型中，這個過程也不簡單。流體運動試圖在幾千年的時間尺度內反轉磁場，但固體核心試圖阻止反轉，因為磁場在核心中不能像在液態外核中那樣快速地發生變化（擴散）。

只有在極少數情況下，熱力學、流體運動和磁場都以相容的方式演化，才允許原始磁場完全從核心擴散出去，以便新的偶極極性可以擴散進來並建立一個反向磁場。該過程的隨機性（隨機）可能解釋了地球上反轉之間的時間為何變化如此之大。

答案最初發佈於 1998 年 4 月 6 日。