強烈的太陽風(fēng)暴每隔大約11年就要來一次，不過從百年來的發(fā)生情況來看，似乎對我們影響不大，為什么呢？因為地球有個大盾牌，那就是地球磁場，它消解了絕大部分來自太陽的高能粒子和帶電粒子。然而近期的科學(xué)研究表明，地球磁場正在迅速減弱，這是否意味著又一次地球磁極翻轉(zhuǎn)的開始？ 2012年左右新一輪太陽風(fēng)暴又要來了，有人預(yù)測會來得很猛烈，這個盾牌會在多大程度上保護我們的地球？

　　地球之“盾”——磁層正迅速變?nèi)?br/>
　　遼寧日報:近來關(guān)于太陽風(fēng)暴的報道引起了人們的關(guān)注，比如8月上旬暴發(fā)的一次太陽風(fēng)暴已經(jīng)到達地球，只是這次強度較小，有科學(xué)家預(yù)測未來幾年將很強烈，也許會給地球帶來災(zāi)難性影響，而我們今天討論的就是地球面對太陽風(fēng)暴的一個重要的自我保護措施——地球磁場，那么您覺得地球磁場是否能肩負起抗擊未來幾年強烈太陽風(fēng)暴的重任？

　　楊學(xué)祥:最強烈的太陽風(fēng)暴源于太陽黑子活動的峰年期。黑子的實質(zhì)是劇烈活動的呈緊密纏繞狀態(tài)的太陽環(huán)向磁場，它像拉緊的皮筋，易被扯斷，扯斷之后太陽大氣中的能量會釋放出來，形成耀斑，向太陽系空間發(fā)射出大量高速高能粒子和帶電粒子的混合體等，形成強烈的太陽風(fēng)，我們習(xí)慣稱它為“太陽風(fēng)暴”。這些被拋射出的粒子會到達地球，撞擊地球磁場和大氣層，但絕大部分太陽高能粒子被阻擋在地球磁層之外，僅有少量沿著地球磁力線進入地球。地球磁場的磁力線從南極流向北極，在兩極地區(qū)形如漏斗，尖端對著地球的南北兩個磁極，因此粒子流會沿著地磁場這個“漏斗”沉降，一般進入地球的兩極地區(qū)，兩極的高層大氣，受到轟擊后會發(fā)出光芒，形成極光。地球磁場實際上是對太陽風(fēng)暴起到了一個屏蔽、抵御和保護地球的作用。

　　遼寧日報:看來地球磁場的作用還是很大的。

　　楊學(xué)祥:地球磁場是地球的重要物理場和環(huán)境因素之一，展布的空間很大，包圍地球，保護著地球上的生物免受宇宙輻射的傷害，起到“盾”的作用，其中就包括把絕大部分太陽風(fēng)粒子阻擋在地球之外，對人類的生存和發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。

　　遼寧日報:人們關(guān)注太陽風(fēng)暴，往往注重其本身的強度，比如通過觀測黑子活動的情況、太陽釋放粒子的密度來判斷太陽風(fēng)暴的規(guī)模，進而分析對地球可能造成的影響，這沒錯，但既然磁場對太陽風(fēng)暴有一個抵御的作用，那么我們就不僅要關(guān)注“矛”有多鋒利，還要關(guān)注我們的“盾”是否堅硬。

　　楊學(xué)祥:是的，我們一方面要觀察、研究太陽風(fēng)暴本身，一方面還要考慮地球磁場和大氣的防護能力，兩者綜合起來才能把影響考慮周全。尤其是地球磁場，不但被我們關(guān)注得少，而且這個“盾”也并不讓人樂觀，有研究發(fā)現(xiàn)，我們的地球磁場正在減弱。

　　歷史上的磁極反轉(zhuǎn)都伴隨著磁場異常和強度減弱

　　遼寧日報:磁場強度在變?nèi)酰?br/>
　　楊學(xué)祥:科學(xué)家的近期研究表明:地球磁場正在迅速減弱。在過去的160年里，磁場強度令人吃驚地下降了10%。比如丹麥行星科學(xué)中心一個研究小組，詳細分析了丹麥“阿斯泰茲”號人造衛(wèi)星收集的最新資料，在對比新舊數(shù)據(jù)后驚訝地發(fā)現(xiàn)，地球兩極的磁場正在變化，南大西洋和北冰洋的磁場都出現(xiàn)了多個大洞?？茖W(xué)家分析，南大西洋和北冰洋下方的液體金屬地核(外核)可能出現(xiàn)了巨型渦流，從而影響了其上空的磁場。由于巨型渦流的力量足以逆轉(zhuǎn)其他渦流的方向，因此極有可能令地磁場南北極就此開始大翻(反)轉(zhuǎn)。另外通過對1980年～2000年的地球磁場研究發(fā)現(xiàn)，地球磁場存在很大的地理差異：在亞洲、太平洋地區(qū)磁場變化較小，非洲、歐洲和大西洋的變化非常大，變化最大的地區(qū)是非洲南端，在這個地區(qū)的磁場極性與正常的極性剛好相反。

　　遼寧日報:這是否預(yù)示著出現(xiàn)另一次地磁翻轉(zhuǎn)的開始？聽說地球歷史上出現(xiàn)過多次“磁極反轉(zhuǎn)”。

　　楊學(xué)祥:磁極反轉(zhuǎn)作為地質(zhì)事件，在地球發(fā)展史上曾經(jīng)出現(xiàn)過，許多國家已經(jīng)從地質(zhì)勘測中研究火山巖和沉積物中的金屬粒子所構(gòu)成的遠古磁場查到了地磁反轉(zhuǎn)的證據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，磁場在最近600萬年間發(fā)生了三次翻轉(zhuǎn)，這三次的間隔時間不等，最近的一次翻轉(zhuǎn)是在70萬年前。所以“翻轉(zhuǎn)”是在很長的時間尺度上發(fā)生的。而地磁場發(fā)生逆轉(zhuǎn)前，磁力急劇減弱，甚至出現(xiàn)零磁場，就是說磁場衰減是翻轉(zhuǎn)過程中的一種現(xiàn)象。目前有些地區(qū)地磁場的強度確實有下降的趨勢，但是否意味著磁場的強度還會持續(xù)降低，是否意味著地磁將要在未來千百年的尺度內(nèi)翻轉(zhuǎn)，科學(xué)家還存在爭議，沒有定論，需要繼續(xù)觀測和深入研究，英國的《自然》雜志和美國的《科學(xué)》雜志近幾年都相繼發(fā)表相關(guān)的文章對這一現(xiàn)象進行了探討。

　　遼寧日報:那么，為什么會產(chǎn)生地球磁極翻轉(zhuǎn)或者說倒轉(zhuǎn)的情況？地球磁場是怎么產(chǎn)生的？

　　楊學(xué)祥:地球是一個各圈層差異旋轉(zhuǎn)的分層地球，即地殼、上地幔、下地幔、外核和內(nèi)核旋轉(zhuǎn)的角速度不同，其中內(nèi)核快速旋轉(zhuǎn)，由固態(tài)的鐵組成，外核是黏滯性很低的導(dǎo)電液態(tài)鐵；在差異旋轉(zhuǎn)及各種天體的作用力下，在外核尤其是內(nèi)外核交界處形成快速旋轉(zhuǎn)的環(huán)形電流，從而生成了地磁場。地核和地幔的差異旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致圈層角動量交換，部分自轉(zhuǎn)動能通過摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，積累在外核，形成地球內(nèi)部唯一的液態(tài)圈層。與此同時，由于角動量交換，地核旋轉(zhuǎn)變慢，地幔旋轉(zhuǎn)變快，圈層差異旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生反向變化，導(dǎo)致地球磁極倒轉(zhuǎn)。所以，地磁變化與外核旋轉(zhuǎn)熱渦流密切相關(guān)。根據(jù)人造衛(wèi)星過去20年錄得的磁場變化數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在地下深層產(chǎn)生地球引力的熔流，在接近南北極位置出現(xiàn)巨大旋渦，并以加強磁場逆轉(zhuǎn)的方向轉(zhuǎn)動，因而削弱現(xiàn)有磁場，可能會導(dǎo)致兩極易位。

　　遼寧日報:地球磁極反轉(zhuǎn)對地球會產(chǎn)生怎樣的影響？

　　楊學(xué)祥:地磁極反轉(zhuǎn)首先能引發(fā)強烈的構(gòu)造運動。熱能積累在外核導(dǎo)致地核膨脹，脹裂地幔，核幔邊界的地幔熱流——熱幔柱順勢上升，形成地表巨大火山區(qū)。這是中生代溫暖期火山頻發(fā)與異常的靜磁帶 (地磁極性長期不變帶)對應(yīng)的原因。其次，地磁極性反轉(zhuǎn)會產(chǎn)生一個地磁強度為零的時期。大家知道地球生物曾經(jīng)發(fā)生過大滅絕的現(xiàn)象，比如某些有孔蟲在幾百萬年前之突然全部滅種、中生代恐龍之突然滅絕等，但同時一些其他種類的動物突然出現(xiàn)，比如哺乳動物，這些突變都與地磁反轉(zhuǎn)在時間上有吻合之處。是否是由于失去地磁的保護，太陽風(fēng)的高能粒子橫掃地球表面導(dǎo)致生物滅絕？這值得我們研究，特別是零磁場與生物演進的關(guān)系。但確切的關(guān)系是怎樣的，我們還不清楚，因為目前來說在數(shù)據(jù)上的證據(jù)并不充分。另外，利用現(xiàn)在技術(shù)進行模擬實驗研究也沒有可行性，任何一個實驗室都無法完成如此巨大規(guī)模的模擬實驗。

　　磁場減弱將使南北兩極海冰大量融化

　　遼寧日報:也許發(fā)生磁極反轉(zhuǎn)將在很遙遠的未來，而且磁極反轉(zhuǎn)的具體影響還未弄清楚，但我們還是要對目前磁場的減弱予以關(guān)注，因為要發(fā)生強烈的太陽風(fēng)暴了，地球磁場的減弱是否會對其“抵抗”太陽風(fēng)暴、保護地球不利？

　　楊學(xué)祥:太陽風(fēng)暴發(fā)生過程中來自太陽的帶電粒子很容易迸入極區(qū)產(chǎn)生電離作用，產(chǎn)生極光，引起磁暴和電離層暴，它在地磁場中的運動會產(chǎn)生強大的感應(yīng)電流，其結(jié)果可能導(dǎo)致該地區(qū)電網(wǎng)變壓器的銅線快速加熱并融化，電流失去控制，嚴重損壞該地區(qū)的電力系統(tǒng)、通訊線路，如果地球磁場強度減弱，捕獲能力就會減弱，那么發(fā)生電離的范圍就會擴大，電網(wǎng)等被損害的范圍可能會隨之加大。

　　遼寧日報:記得2009年美國科學(xué)家在對2012、2013年的太陽風(fēng)暴預(yù)測及報告中提到“美國、加拿大，甚至中國、日本等會出現(xiàn)全國性停電”的情況，按以前發(fā)生的太陽風(fēng)暴來看，不會對中國、日本這樣的總體上屬于中緯度的國家產(chǎn)生太大的影響，但這次他們的預(yù)測如此悲觀，是否就是把地磁變化考慮進去了？

　　楊學(xué)祥:因為還沒有看到報告科研方面的原文，所以其具體的預(yù)測根據(jù)還不得而知，但地磁變化應(yīng)該成為我們研究這次太陽風(fēng)暴影響的重要的考慮因素，加以重視。

　　遼寧日報:在地磁減弱、太陽風(fēng)暴猛烈的情況下，地球的氣候、天氣是否也會受其影響？

　　楊學(xué)祥:計算機模型的計算結(jié)果表明，如果兩個磁極的強度繼續(xù)減弱，則來自太陽的粒子流便可能使高達40%的地球高緯度臭氧被破壞，每次的破壞時間將長達數(shù)月至一年之久，這也為南北極海冰融化提供了合理的解釋。

　　遼寧日報:您具體給我們講講。

　　楊學(xué)祥:到達地球的太陽輻射能大約有2%被平流層的臭氧吸收，7%被電離層吸收。當黑子活動高峰發(fā)生太陽風(fēng)暴時，會大量破壞南極臭氧，隨之產(chǎn)生“臭氧洞漏能效應(yīng)”和“地磁層漏能效應(yīng)”，使被臭氧層阻隔的2%的太陽能由平流層進入對流層，導(dǎo)致南極平流層變冷對流層變暖。收縮的平流層自轉(zhuǎn)變快，膨脹的對流層自轉(zhuǎn)變慢，這是赤道高空風(fēng)產(chǎn)生的一個原因。拉馬德雷現(xiàn)象就是太平洋上空高速氣流方向轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象，拉馬德雷暖位相增強厄爾尼諾事件，拉馬德雷冷位相增強拉尼娜事件，從而影響大氣環(huán)流和全球氣候變化。這兩個“漏能效應(yīng)”也使太陽能量進入兩極，北極和南極大陸邊緣的海冰大量融化，打開南美洲德雷克海峽的海冰開關(guān)，減弱秘魯寒流，進一步增強厄爾尼諾現(xiàn)象。與此同時，增高的海洋表面溫度使更多氯元素從海洋進入大氣，使臭氧洞進一步擴大，從而進一步影響氣候，增加災(zāi)害性天氣發(fā)生的幾率。地球歷史表明，強地磁場對應(yīng)地球的寒冷氣候，如第四紀冰期；弱地磁場對應(yīng)高溫氣候，如中生代的溫暖期。地磁場減弱也是全球變暖的原因之一：地磁場減弱導(dǎo)致更多太陽能量進入地球。

　　地球磁場本身異常是引起氣候、地質(zhì)等變化的重要因素

　　遼寧日報:太陽風(fēng)暴的各種粒子會干擾地球的磁場，如果非常強烈的話，是否會使地球磁場本身發(fā)生較明顯的變動？

　　楊學(xué)祥:太陽風(fēng)和地磁暴的相關(guān)性是明顯的，會引起高層大氣磁活動和環(huán)形電流的相應(yīng)變化。已有研究表明，太陽風(fēng)與地球磁層頂相互作用，在極區(qū)上空的電離層中形成極區(qū)電急流。極區(qū)電急流通過地球磁力線傳至中低緯度地區(qū)的電離層中，擾動電離層，不久之后，會發(fā)生災(zāi)害性天氣。所以，地表和大氣的電磁變化值得關(guān)注。

　　遼寧日報:那么，地球磁場本身的變化對地球，比如氣候變化、地質(zhì)變化有無影響？

　　楊學(xué)祥:人們普遍忽視地電和地磁的存在，認為它們很微弱。事實并非如此。一個偶然的機會，我發(fā)現(xiàn)一片樹林明顯地向北方傾斜，原來北部有平行的高壓電線，電磁能對樹林而言竟比太陽光更具有吸引力。地磁場的異常變化使地表地電場也發(fā)生變化，形成地電正異常區(qū)和負異常區(qū)。地表水從地電正異常區(qū)蒸發(fā)到高空，帶的是正電；從地電負異常區(qū)蒸發(fā)到高空，帶的是負電。帶有異種電荷的云團最容易相互吸引而形成雷雨。相反，帶有同種電荷的云團相互排斥，形成該地區(qū)的干旱。冰島、非洲中西部和南大西洋是三個負電異常區(qū)，它們之間的地區(qū)是明顯的干旱區(qū)，其中就有最干旱的撒哈拉沙漠；其兩側(cè)的北美洲和亞洲是正電異常區(qū)，在正、負電異常的交界帶，是高降水量區(qū)。當電磁異常區(qū)發(fā)生變動時，電場的強度和極性也發(fā)生相應(yīng)變化，由此引起的降水量改變導(dǎo)致全球旱澇災(zāi)害在不同地區(qū)發(fā)生。

　　談到地質(zhì)變化，地磁地電還與地震有密切關(guān)系，現(xiàn)在地震觀測的一個重要手段就是對地磁(電)的監(jiān)測。至于內(nèi)在的機理，舉個例子，攜帶大量磁性粒子的地下巖漿因為失去地磁的束縛而改變流向和流速，流向的改變將使地球固有板塊的運動規(guī)律發(fā)生變化，而流速的降低將使巖漿自身的溫度平衡機制遭到破壞，使地球不同部位之間地溫溫差增大，這將會產(chǎn)生地震頻率和強度的增加。

　　遼寧日報:聽您這么一說，感覺地球磁場及其變化太重要了，與抵御太陽風(fēng)暴、氣候變化、地質(zhì)災(zāi)害都有密切的關(guān)系，看來我們應(yīng)該密切注意地球磁場變化以做好各方面的預(yù)測、預(yù)防。

　　楊學(xué)祥:是的，應(yīng)該說我們對地球磁場的重視程度及研究水平還很不夠，但是正像你說的那樣，種種跡象和研究表明，地球磁場是地球變化的重要因素，我們必須加強這方面的研究，特別是與太陽風(fēng)暴關(guān)系的研究。近年來，全球地震、干旱、洪水、高溫等極端氣候的出現(xiàn)，不能排除和地磁減弱的關(guān)聯(lián)。如果在今后若干年內(nèi)，這些災(zāi)害氣候頻率和強度有增加趨勢的話，并且地表測得宇宙射線輻射劑量同步增大，則可以確認這種關(guān)聯(lián)。

　　遼寧日報：謝謝您的講解。

　　專家檔案

　　楊學(xué)祥，吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授。主要從事地球動力學(xué)和自然災(zāi)害研究，發(fā)表文章近百篇，出版專著《地球差異旋轉(zhuǎn)動力學(xué)》。主持完成國家自然科學(xué)基金資助項目“地球各圈層能量交換過程與全球變化的關(guān)系”。 2000年被評為吉林省第六批有突出貢獻的中青年專業(yè)技術(shù)人才。 2004年和2010年被聘為中國地球物理學(xué)會天災(zāi)預(yù)測專業(yè)委員會委員。