地球磁场屏蔽地球上的生命，但它可以移动甚至翻转

地球磁场在大气层最上层（电离层）上方产生一个称为磁层的磁“气泡”。磁层在保护人类方面发挥着重要作用。

奥弗·科恩

客座作者

地球磁场使太阳发射的粒子发生偏转。

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地球磁场在保护人们免受可能影响卫星通信和电网运行的危险辐射和地磁活动方面发挥着重要作用。它会移动。

几个世纪以来，科学家们一直在研究和追踪磁极的运动。这些磁极的历史运动表明地球磁场的全球几何形状的变化。它甚至可能表明磁场反转的开始——南北磁极之间的“翻转”。

我是一名研究行星与太空之间相互作用的物理学家。虽然北磁极移动一点点没什么大不了的，但逆转可能会对地球气候和我们的现代技术产生重大影响。但这些逆转不会立即发生。相反，它们发生了数千年。

磁场产生

那么像地球周围的磁场是如何产生的呢？

磁场是由移动的电荷产生的。能够使电荷在其中轻松移动的材料称为导体。金属是导体的一个例子——人们用它来将电流从一个地方传输到另一个地方。电流本身只是负电荷，称为电子在金属中移动。该电流产生磁场。

在地球的液态铁核中可以找到多层导电材料。电荷电流在整个核心中移动，液态铁也在核心中移动和循环。这些运动产生磁场。

地球并不是唯一具有磁场的行星——像木星这样的气态巨行星有一个导电的金属氢层，可以产生磁场。

行星内部这些导电层的运动会产生两种类型的场。较大的运动，例如随行星的大规模自转，会产生具有北极和南极的对称磁场，类似于玩具磁铁。

由于局部湍流或不遵循大尺度模式的较小流动，这些传导层可能具有一些局部不规则运动。这些不规则现象将体现在地球磁场中的一些小异常或磁场偏离完美偶极子场的地方。

磁场中的这些小规模偏差实际上可能会导致大规模磁场随着时间的推移而发生变化，甚至可能导致偶极子场的极性完全反转，即北变为南，反之亦然。磁场上的“北”和“南”指的是它们相反的极性——它们与地理上的南北无关。

地球磁层，一个保护性气泡

地球磁场在大气层最上层（电离层）上方产生一个称为磁层的磁“气泡”。

磁层在保护人类方面发挥着重要作用。它可以屏蔽和偏转具有破坏性的高能宇宙射线辐射，这些辐射是在恒星爆炸中产生的，并在宇宙中不断移动。磁层还与太阳风相互作用，太阳风是从太阳发出的磁化气体流。

磁层和电离层与磁化太阳风的相互作用产生了科学家所说的太空天气。通常，太阳风很温和，几乎没有太空天气。

然而，有时太阳会向太空释放大量磁化气体云，称为日冕物质抛射。如果这些日冕物质抛射到达地球，它们与磁层的相互作用会产生地磁风暴。地磁风暴会产生极光，当一股带电粒子流撞击大气层并发光时，就会发生极光。

在太空天气事件期间，地球附近会有更多危险的辐射。这种辐射可能会伤害卫星和宇航员。太空天气还会因大型传导系统（例如主要管道和电网）中的电流过载而损坏这些系统。

太空天气事件还会扰乱许多人所依赖的卫星通信和 GPS 运行。

场翻转

科学家利用磁场方向和强度的局部测量以及最近的模型来绘制和跟踪地球磁场的整体形状和方向。

自 1831 年第一次测量以来，北磁极的位置已移动了约 600 英里（965 公里）。迁移速度已从每年 10 英里增加到每年 34 英里（16 公里至 54 公里）。最近几年。这种加速可能预示着磁场反转的开始，但科学家们确实无法用不到 200 年的数据来判断。

地球磁场在 100,000 到 1,000,000 年之间的时间尺度上发生逆转。科学家可以通过观察海洋中的火山岩来判断磁场反转的频率。

这些岩石在形成时捕获了地球磁场的方向和强度，因此对这些岩石进行测年可以很好地了解地球磁场如何随时间演变。

从地质角度来看，磁场反转发生得很快，但从人类角度来看却很慢。逆转通常需要几千年的时间，但在此期间，磁层的方向可能会发生变化，并使更多的地球暴露在宇宙辐射下。这些事件可能会改变大气中臭氧的浓度。

科学家无法自信地判断下一次磁场反转何时发生，但我们可以继续绘制和跟踪地球磁北的运动。

Ofer Cohen，麻省大学洛厄尔分校物理与应用物理副教授

本文是根据知识共享许可从 The Conversation 重新发布的。阅读原文。