磁极正在偏转，而且偏转得比以往更快。为了弄清原由，我们必须探究地球的中心。

你能否指出北极？几乎不可能。即使你有罗盘在手，你也可能轻易弄错。假如你在加利福尼亚，你的罗盘指针也许会偏差整整18度。“你需要考虑到这一点，就算你只是在徒步旅行，偏差可能就是往左走和向前走的区别。”威廉·布朗（William Brown）在英国地质调查局说道。

因为磁场的局部扭曲，你的罗盘可以丢弃；不仅如此，磁北极也不在以前的位置。1900年，磁北极位于加拿大；一个世纪之后，磁北极靠近格陵兰岛。在过去18年里，磁北极每年向东快速移动大约40公里，目前一路奔向西伯利亚。

地球磁场的奇异行为并不止这些。它偶尔还会翻转磁极：在地球历史的某些时候，罗盘指针会指向我们所称的南极方向。就算在如今，在地表下的某些地方，罗盘仍然会指向错误的方向。到底发生了什么？这个谜团对于科技和地球的未来具有深远的影响。

为了对付这个问题，我们需要像儒勒·凡尔纳那样探访一趟地球中心，那儿有着磁场的本源，但这并非实用的做法。相反，富有创造力的头脑早已探究出：地球磁场在千万年前被冻结在星球中，建造出包含液态钠的巨大旋转球体。所有这些能帮助我们更好理解地球、避开太阳风暴、找出正确的回家路线。

尽管我们之中极少有人去过北极地区，但我们对北极感觉像科罗拉多大峡谷或珠穆朗玛峰之类的地标一样熟悉，小孩子知道北极是圣诞老人居住的地方。但在世界之巅有着不止一个极点，有地理北极，那是地球自旋轴与地面接触的地方；有磁北极，地球磁场在那儿径直指向下方。北极在移动中，在地球另一头的南极同样如此。磁南极并不位于如你预料的南极洲中央，而是在称为维多利亚地的区域的海岸外。

数世纪以来，磁场是如何形成的一直是个谜团，从勒内·笛卡尔（René Descartes）到爱德蒙·哈雷（Edmond Halley）等思想家都为之烦恼。爱因斯坦曾经认为磁场的来源是物理学中最大的未解谜团之一，他考虑过的想法是，磁场是电子和质子这两种粒子的电荷之间的不匹配带来的结果。但最终胜出的想法由爱尔兰物理学家约瑟夫·拉莫尔（Joseph Larmor）在100年前提出。他提出：磁场是地球中心的翻滚导电液体的结果（地磁场）。

我们有充足理由相信拉莫尔是正确的。我们从穿过地球的反弹声波知道，地球拥有两部分的金属核。内核的温度有6 000摄氏度，比太阳表面更热，但因为巨大压力而保持固态。外核是熔化的铁，体积是月亮的7倍。

外核的外层与内层温度不同，这意味着液态铁始终以对流形式流动。炙热的液态铁涌向外核的外层表面，然后降温变得更加致密，并再次落回内部。液态金属中充满电子，电荷的流动产生磁场。

假如这种流体的流动仅依赖对流，那么地球磁场也许会呈现相对简单的形态。然而，地球的自转将流体推向不同方向，而推动力取决于流体在星球的位置。而且，离内核不同距离的液态金属的密度不同，从而它的粘度也不同。这些因素叠加起来，在外核中形成复杂的紊流模式，产生混乱纠缠的磁力线。

考虑到所有这些情况，磁北极没有猛烈偏转看来令人惊讶；但流动发生得很缓慢。“当我们说流动是紊乱的，我们是指在数万年的时间尺度上。”加州大学圣克鲁兹分校的加里·格拉茨迈尔（Gary Glatzmaier）说道。

于是，这种缓慢的紊乱可以解释磁极点的偏转；但接下来会发生什么尚不清楚。磁北极是否继续移动？可能移动多远？是否会在磁极完全翻转的边缘？这些是值得提出的问题。毕竟，是地球磁场让太阳风的带电粒子转向，否则那些粒子会像倾盆大雨一样落在我们头上。没有人期望地球磁场会发生任何剧烈变化，如果发生了，它会让我们付出昂贵代价。

要掌握磁场的未来，一种办法是审视它的过往。当磁性岩层形成（如长石变热再变冷）时，其内的晶体对准当时主要磁场的方向。“某些晶体内部有磁性夹杂物，它们是磁场的绝佳记录器。”罗切斯特大学的约翰·塔杜诺（John Tarduno）说道。解读这些晶体，就获知几百万年前的磁场记录。

而且，那是一份相当了不起的记录，显示出地球磁场在历史上的减弱和增强，甚至偶尔是完全翻转。我们知道，在过去的8 300万年里发生过183次磁极翻转，最后一次发生在78万年前。塔杜诺与他的同事分析了来自加拿大魁北克、拥有5.65亿年历史的磁性岩，发现那时的磁场大约比现在弱了10倍，是到目前为止测量到的最低值。在当时，地球经历了75 000年的变动期，磁场混乱无常，迅速改变方向，强度时强时弱。

这不仅确认了地球磁场在千万年里一直在变化，它也揭示出早期地球的更多情况。塔杜诺说：“看起来当时磁场正在崩溃边缘。”假如崩溃真的发生，地球上就不太可能出现复杂生命。没有磁场的话，大气层会被太阳风吹走，任何生命形式都会遭受强烈辐射。是什么防止了这场灾难？根据塔杜诺对磁场记录的诠释，那是因为地球坚实的内核结构。

在这个时候，整个地核看上去都像熔化了，但也开始显著降温，这会减缓对流，削弱磁场。但它也会允许最深的那部分地核开始结晶。硅和氧之类较轻的元素会从固体中排出，进入初生的外核，使得它的较深部分不那么致密，为对流增加新的力量。“我们相信，当内核开始形成，它为磁场提供新的能量源泉。”塔杜诺说。

他的研究也揭示出，目前地球表面从津巴布韦延伸到智利的区域的磁场极弱。事实上，因为那片区域的磁场如此微弱，经过该区域上空的卫星需要保护。缺少正常磁场的防护，卫星的电子装置处于被太阳风烧毁的危险。塔杜诺和同事已经发现，在这片区域的一个地点，也就是非洲南部地下的古登堡界面，磁场实际上逆转了，罗盘在那儿会指向南极。“这是件令人震惊的事。”塔杜诺说。

他和团队在各种地点看到过往的异常情况，甚至已经开始观察它们是如何移动的。“到了某个阶段，我们能在地核流（core flow）中追踪一些异常现象。”塔杜诺说。他们甚至能看到，那些异常现象偶尔演变成完全的逆转。“有时，这些异常情况不断增大，以至于整个磁场突然逆转极性。”他说道。这就提出了疑问：磁北极的偏转是不是标志着即将发生磁场逆转？

那是格拉茨迈尔与同行试图查明的一件事。为了实现那个目标，他们需要超越测量过往磁场，建立磁场的计算机模型，预测磁场的下一步变化。譬如说，从应用于移动导电流体的物理基本定律开始，他们能制造出“偶极”（dipole：有两个相反磁极的磁场）。当他们运行模型后，他们看到随着时间和地点不同导致的强度变化；他们也看到偏转的磁极点，甚至看到偶尔的磁场逆转。所有这些都和我们在现实世界里看见的现象相一致。2019年4月，他们模拟了磁北极向东移动时的快速“地磁变化”。

尽管这让人印象深刻，模型仍然未能完全模拟真实的磁场。“我们的计算机模型很复杂，但现实磁场更复杂。”格拉茨迈尔说。没有人拥有建立磁场逼真模型的计算能力。“流体结构扭曲和改变了现存的磁场，在此过程中产生更多磁场。我们不得不使用十分粗糙的近似模型。”

假如你想要预测地表任何一个地点的磁场方向，情况会变得更加复杂。地球“地磁场”模型不会运作得那么完美，因为磁岩集中区可能会侵入局部磁场，产生磁偏差，让磁力线偏离南北纵向。这就是在加州部分地区和世界许多其他地方，罗盘为何不会笔直指向北方的原因。

或许，我们需要更加逼近现实的模型（物理模型而不是数字模型）。作为地核的物理模型，马里兰大学丹尼尔·拉斯罗普（Daniel Lathrop）的液态钠球体实验装置最令人印象深刻。

正如任何化学老师告诉你的，钠是一种难以处理的金属，甚至在极小量时也是如此。钠变湿时会着火，有时在潮湿空气里会自燃，在学校的化学药品储藏柜里，钠通常都安全地保存在油中。

拉斯罗普要应付的不是小剂量的钠。在他的实验中，他会旋转一个直径有3米的不锈钢圆球，球内装满了液态钠。整套装置重达20吨。在圆球中心有一个直径1米的实心金属内核，它可以高达每秒15周的速度独立旋转。外侧表面上分布着31个磁强计，由它们测量装置产生的磁场。因为这套地核模型比真实的地核小许多，马里兰大学的研究团队用比铁导电更佳的金属、更快的旋转速度进行弥补：当装置设置到全速时，圆球每秒会旋转4周。

拉斯罗普和他的团队已经演示，液态金属的紊流会增强和维持磁场，证实拉莫尔的地磁场假设确实符合事实。然而，到目前为止，他们尚未得以让磁场自发出现；而根据推测，地球的磁场必定是自发出现的。他们目前要先施加种子磁场，再由搅动的液态钠放大这个磁场。这让人看到希望，但又让人感到气馁：我们无法表明地球磁场是“无中生有”的，仅能证明它来自于导电流体的运动，而且无法确定模型的有效性，也无法用这个圆球装置来预测磁场何时会经历逆转。

拉斯罗普的实验也许遗漏了一个关键要素。研究团队已经识别出金属中的一种似乎由进动引起的弱流（weak flow）。进动是一种额外旋转，就像轻轻推动一个旋转中的陀螺，让它摆脱直立状态，这会导致陀螺绕着垂直轴缓慢旋转，同时也绕着它自身的轴自转。地核肯定受到这种进动影响，当地球绕着太阳旋转时，地球受到月球引力的牵引。但拉斯罗普的装置没有生成进动的明确机制。拉斯罗普发现，在他的实验里，这些弱流似乎是由地球本身的旋转方式产生。

我们也许能从德国德累斯顿正在建设的改进的新研究项目中获知更多信息。2018年，亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心（HZDR）实验室的研究人员计算出，让液态钠绕着两根轴旋转的话，应该能让磁场自发形成。他们的计算也模拟了与轨道平面垂直线相差23.5度的地球进动方式。

这个想法的实际实施非常大胆。这套装置会包括一个装有8吨液态钠的圆筒，圆筒会绕着长轴以每秒10周的速度自转，又会绕着一根略有不同的轴以每秒1周的速度旋转。安全问题是最让人关切的事。HZDR的安德烈·吉塞克（André Giesecke）说：“我们有一栋建筑专门来进行液态钠实验，该建筑中还有另一套建筑用于防泄漏。实验运行时，没人会在建筑里。”

这些惊人的研究值得付出努力。更好理解地球磁场能让人类避免更大的危险。假如我们能弄懂地球磁场如何变化，我们就能在保护电网免受太阳风暴破坏方面做更多，因为太阳风暴能从磁场变弱的地方长驱直入；我们也能避开宇宙射线伤害人类的可能。在最极端的情况下，我们可能彻底失去地球磁场，就像火星在大约40亿年前的遭遇。那样会放松地球对大气层的控制，最终使得我们的家园变得像红色火星一样不适合居住。地球磁场可能有奇异行为，磁极可能偏转，但我们不能想当然地以为：地球磁场这层护罩会永久存在。

资料来源 New Scientist