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引言：
「社稷有累卵之危，生靈有倒懸之急。」倒懸之急，常被用於形容處境極為艱難，出自戰國·孟軻《孟子·公孫丑上》：「當今之時，萬乘之國，行仁政，民之悅之，如解倒懸也」。正反、南北、左右這些自然法則已經構建了地球生靈賴以生存的安全屋，他們不僅為自然進化、萬物生長與生靈繁衍規定了自然法則，還固定了我們文明更替中東昇與西落、南北與方圓的定義。當一些自然的規則被打破，人們難免恐慌。
自19世紀初探險家首次精確定位以來，磁北極一直在向北爬行——超過600英里(1100公里)。事實上，它現在移動得更快了，科學家估計，北極每年向北移動約40英里，而非20世紀初的每年10英里。我們需要接受一個事實，地球的南北極正在發生改變，也許直到有一天迎來地磁的反轉。乍一聽，造物主彷彿真的要把地球生物「倒懸」，然而這會是人類文明頭上新的達摩克斯之劍嗎？
磁極路徑，1831年後為直接觀測的資料，1831之前為古地磁資料重建
01什麼是地球磁場？
地磁場，產生於是地球內部的天然磁性現象。地球的正常磁場約佔地球磁極的99%，類似於一個磁偶極（magnetic dipole）：其中一極在北極附近，另一極在南極附近。與經典的條形磁鐵或冰箱上的裝飾性磁鐵不同，控制地球磁場的物質是四處移動的，故而又產生了剩餘的1%——外源磁場和磁異常。在地球誕生之初就存在地磁與地磁力，現代物理學也將磁力認為是是統治物理宇宙的四大基本物理力之一。
地球磁場示意圖
但地球磁場從何而來？這一懸而未決的問題，困擾著理論物理學者的研究，也動搖著地球物理學的地基大廈。為了回答這一問題，科學家們先後提出了永磁體學說、內部電流學說、電荷旋轉學說等等，最終被廣泛接受的是電磁感應學說又稱發電機學說。
天文學家Larmor 通過對太陽的觀測提出：「內部循環運動有可能以自激發電機的循環方式起作用，並以內部循環的一些能量為代價，保持磁場永久持續[1]。」 這一觀點後來被利用於地磁場的研究，並開始逐漸發展為發電機理論：地球可通過其外核區域內液態鐵的流動，將地磁場不斷的放大直至如今的狀態。而要維持住這樣的地磁場，其能量的來源是核心與地幔的溫度差所導致的熱對流。簡單來說，地磁是因為地球的固體鐵芯被熱的液態金屬組成的流體海洋所包裹而形成的——液態鐵在地核的流動中產生電流，進而產生磁場。發電機學說（又稱磁流體發電機學說）在觀測、實驗和理論研究上相對於其他的學說都得到了較多的證實，成為目前地球物理學比較認可的觀點。
磁場產生示意圖
02地磁反轉是規律，而非例外
近些年的觀測發現地球上存在著部分磁場異常區，科學界普遍認為這是地球磁場發生重大偏移甚至翻轉的前兆。地球區域內磁場強度在不斷的減弱，並且衰減速度近十年來快速增長，比如南大西洋地磁異常區每年的衰減速度是其他異常區的十倍之多。同時其他地磁異常區本身的面積也有擴大的趨勢。一時之間，地磁反轉的恐慌引發全球關注，甚至許多世界末日論者認為地磁的「異常」變化可能導致地球毀滅。
其實與我們日常生活中的感知相反，地磁翻轉是規律而非例外。科學家估計，在過去的30億年裡，至少發生過數百次逆轉。如果你生活在大約80萬年前，手裡拿著指南針，面向我們所說的北方，指針就會指向「南方」。在過去的2000萬年裡，地球進入了大約每20萬到30萬年一次磁極反轉的模式。在漫長的地質歷史裡，變化才是永恆的。
距離人類最近的一次長時間地磁場反轉是「布容尼斯-松山倒轉」，發生在78萬年前；地磁場兩極反轉持續了大概2萬年。不過，並非所有的地磁場反轉都會持續上萬年，有時地磁場會在短時間發生兩次反轉，地質學上稱為「地磁漂移」。比如4.1萬年前的Laschamps地磁反轉，整個過程只持續了1000年，其中兩極反轉的時間僅持續了250年。我們通過地磁變化的資料不難看出：磁極倒轉在地質時間尺度上是一種常見的現象，但在這在人的壽命尺度內實際上是比較難以遇到的；同時，地磁反轉是一個發生在數百年或數千年裡的緩慢過程，並不是一次性的徹底的翻轉，因而也是在一定程度上可以預測的。如果說地磁翻轉有何影響？現在看起來，磁羅盤製造商會比較期待這一新的商機的到來。但是不能否認的是，我們人類仍對地球知之甚少，我們不得不防範一些風險出現，哪怕他的概率很小。
03地磁翻轉的影響
對人類最重要的地球資源是什麼？很多人第一反應是水或者氧氣，很少有人提及地磁，但其實地磁的作用遠超出公眾的想象。由於太陽風中含有大量的高能帶電粒子，因此會受到磁場的影響而繞開地球，如果地球磁場消失，那麼高能帶電粒子會進入大氣層，這會給地球生物帶來毀滅性的打擊。地磁場不僅如護盾一般保護著人類的生存與發展，它還是眾多現代科學技術的基石。隨著指南針傳入西方世界，地磁場便為人類的航海事業提供了無比重要的幫助，同時也促進了眾多科技的發展——地磁場的相對穩定性也是其成為資訊交流的載體的重要原因。
關心磁場的原因很簡單：保護著我們
出於對地磁場的關心，一些謹慎的科學家開始提醒大家關注地磁翻轉的危害。阿德萊德大學的Cooper(2) 等人對紐西蘭沼澤貝殼杉樹的放射性碳記錄與地磁極性轉換前後的磁場強度進行相關性分析，並使用超級計算機模擬了大約41000年前Laschamps地磁逆轉的後果。他們發現，地磁場減弱影響大氣層對太陽光的吸收，導致氣候鉅變，使得當時地球氣溫降低，最終導致澳大利亞多種大型哺乳動物滅絕，如長毛猛獁象、巨型袋熊等。這一研究證實了地磁場反轉曾推動物種滅絕，很多人擔心相同的悲劇會發生在人類身上。同時，Alanna Mitchell在她的著作《The Spinning Magnet》中也警告到：「the force that created the world, and could bring about its end」。如果地磁場位置與強度的穩定性不復存在，那麼等待地球的是一個沒有電網和電子通訊的未來。這對現代社會來說將是如同「世界末日」般的打擊。
42000年前的人類在洞穴壁畫中留下了越來越多的紅赭石手印，赭石被是一種古老的防晒霜，這被認為是紫外線增強的證據，從而與地磁場減弱導致臭氧減弱相互印證。
如果地磁反轉發生，確實會帶來生態災難，這點其實無需論證。但問題在於地磁翻轉是否發生？何時發生？會在人類文明的尺度內發生嗎？
結語：
人類社會確實面臨著「倒懸」，但遠沒有達到「急」的程度。人始終要面對確定發生的困境，而非挑戰虛無縹緲的對手。目前的觀測技術和預測手段其實並不能證實地磁翻轉即將發生的緊迫性，我們腦補的危機感也許只會發生在科幻小說裡。與其焦慮地磁反轉可能帶來的世界末日，不如減少精神內耗，找到觀測地磁變化的新方法。
過度焦慮未來會變得悲觀！
參考文獻
1. J. Larmor, in A Source Book in Astronomy and Astrophysics, 1900–1975, R. L. Kenneth, G. Owen, Eds. (Harvard University Press, Cambridge, MA and London, England, 1979), pp. 106-107.
2. A. Cooper et al., A global environmental crisis 42,000 years ago. Science 371, 811-818 (2021).
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撰稿：邵靜瑩
美編：劉俞伶
DR.STONE · 致力於地球和空間科學科普
