南大西洋，地磁有个“坑”，需不需要担心？丨Calling太空

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编者按：“浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索”，为此，中科院之声与中国科学院国家空间科学中心联合开设“Calling太空”科普专栏，为大家讲述有趣的故事，介绍一些与空间科学和航天相关的知识。

最近有些朋友在网上转，说美国国家航空航天局（NASA）公布的地磁图上，就像下边微博附带的图上一样，用红蓝颜色代表地球磁场强度时，在南大西洋的上空有个地球磁场强度非常低（蓝色）的区域，范围还特别大。一些报道用上了“断裂”、“大坑”、“凹痕”等形容，以及“奇怪”、“可怕”、“严重”之类的词汇，渲染说这样一种异常发展猛烈，甚至会带给人类灭顶之灾，因为这个现象与地磁倒转是直接相联系的。

网友畅所欲言（图片来自网络）

大家在积极参与讨论的同时，对这些事也不必过分紧张。南大西洋地磁异常区域，科学家发现和确认已经超过50年，而在这之前已经存在了许多许多年。目前没有任何证据或者可靠的理论说它会对我们人类的生活产生影响。

你考试没及格？我开车闯了红灯？隔壁老王家不孕不育……地磁异常就跟许多人笃信的神仙一样，对它来说，我们人类的生活太渺小了，你我的烦恼不值一提。今天我们就来聊一聊地磁图上显现出来的这个“坑”。

有些喜好神秘故事的朋友应该听说过神秘的“百慕大三角”区域，其实这个区域就是咱们要聊的南大西洋的一角。很多研究认为飞机、轮船经过这个区域时，通讯、导航很容易出错，甚至电子仪器本身失灵，最后导致事故，而这些可能是磁场以及与之相关的带电粒子特征引起的。

根据地球磁场的测量，南大西洋上空有一大块区域的磁场强度比世界其他地区弱了30~50%，弱化的速度也比其他地区快了10倍，既然与“正常”非常不同，故而被称做南大西洋异常区（South Atlantic Anomaly）。它的中心在南美洲与非洲之间的大西洋，范围涵盖了南美洲西南、非洲南端以及两者之间的大西洋南部。

地球磁场是个怎么回事呢？磁场是一种看不见、摸不着的特殊物质，它不是由原子或分子组成的，但是实际存在。磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就以磁场为媒介，所以两磁体不用接触就能发生作用。很早以前，人类就已经知道磁石及其磁性，也发明了指南针，因为它总是有一端直着南（另一端自然就是指北）。而我们的地球其实就好像一个大磁铁。磁铁北极在地理南极附近，磁铁南极在地理北极附近，地磁轴和地理轴之间有大概11°的偏差。

地球和它的磁场（图片来自网络）

法国学者皮埃·德马立克（Pierre de Maricourt）于公元1269 年论述了他仔细标明铁针在块型磁石附近各个位置的定向，也就是用磁铁指向的方向定义磁场方向，从这些记号描绘出很多条线，也就是上图中的磁力线或磁场线。他发现磁力线汇聚于磁石的相反两端位置，他称之为磁极，如下图所示，磁力线从北极（N）指向南极（S）。后来威廉·吉尔伯特主张地球本身就是一个大磁石，其两个磁极分别位于南极与北极，所以在地面上看磁铁会指向南北方向。

磁力线指示了磁场的方向，从北极（N）指向南极（S）（图片来自网络）

如此看来，地球的磁场在地面不同地方的大小和方向都不会是完全一样的了。有一些常用的表现磁场特征的参数，我们习惯叫地磁7要素，包括了磁场总强度、水平方向的强度、垂直方向的强度、向东的强度、向北的强度，这些向各个方向的强度称为分量，也就是水平分量、垂直分量等等，也包括了跟水平面的夹角（磁倾角）以及水平分量跟北向之间的夹角（磁偏角，也就是相对于向北转过的角度）。这些参量在不同地方不同，随着时间也存在变化。

我们地球的磁场对地球生物圈有双重保护作用：一是避免外来的高能带电粒子入侵，二是减少大气层中的带电粒子逃逸。因为带电粒子在磁场中运动会受到使它转向的“洛伦兹力”，所以通常是“拘束”在磁场周围的，而能量很强的带电粒子也很难轻易“逾越”磁力线的控制。对来自宇宙（主要是太阳）的高能粒子而言，它们“吹”向地球并遭遇地球磁场时，会被磁场弹开，或者随着磁场去到地球的夜晚侧很远的地方，有些远离地球而去、有些经过“千辛万苦”后进入到咱们地球周围的空间中；对于地球的带电粒子（主要是因为太阳辐射形成），地球的磁场也控制住它们在地球周围飞行，难以离开。

颜色代表地球周围高能粒子的强度（图片来自网络）

地球的南大西洋地磁异常主要是磁场强度的异常，这里约是同纬度正常区磁场强度的一半大小。现在我们认为，地核中的力和磁轴的倾斜共同产生了异常，也就是说，地球作为一个大磁铁，本身在地核当中形成巨大磁场的时候，作为磁铁的轴已经是偏的了，并没有与咱们地球的地轴重合，而是处在更加远离南大西洋的一侧，另外磁轴一直在向西漂移。一些复杂而不规则的形状和过程带来了一个地磁“异常”的区域。

虽然南大西洋异常是由地球内部的过程引起的，但它的影响远远超出了地球表面。这一区域对于穿越它的近地轨道卫星来说可能是危险的。如果一颗卫星被高能质子击中，它会短路并引起一个称为单粒子翻转或单粒子翻转的事件。这可能导致卫星功能暂时出现故障，或者在关键部件被击中时造成永久性损坏。我们前文说的“百慕大三角”区域的种种事故，也与磁场、高能粒子相关的过程有关。

不过，我们讲的这些危险仅限于发生在南大西洋地区上空数百公里高的空中。只有上千公里高的空中会有能对你我人类以及人类生活产生影响的很高能量的带电粒子，它们在大气中会因为碰撞而失去能量，根本到不了你我的身边。南大西洋异常区由于地磁异常，这个高度会下降到几百公里，但是！几百公里是什么概念呢？飞机一般只飞10-20公里高而已！

飞机飞得比云更高，但也到不了卫星的数百公里高度（图片来自网络）

那么，很多人关心的，与南大西洋异常相联系的，地磁倒转是什么样的东西，有多危险呢？

地磁倒转是指地球磁场方向发生变化，也就是北磁极和南磁极的对调，该过程伴随着磁场强度先减弱后增加。早在17世纪，人们就已经注意到了强磁化的岩石对罗盘指针有明显的影响。到18世纪中叶，一些学者发现某些岩石是沿着地磁场被磁化的，这说明某些古代的岩石是可以记录下当时的地磁场信息。20世纪初，法国科学家David和Brunhes对被熔岩流烘烤过的物质进行了研究，他们发现这些物质所显示出的磁化方向与当前地磁场方向相反。于是，科学家大胆地猜测地磁场在历史上曾经发生过极性倒转。后来，科学家们研究了全球各地的火山熔岩，证实了磁场的反向是一个全球性的现象。至此，已经可以肯定地磁场的极性确实曾经与当前情况相反，但是当时尚无技术能确定极性倒转发生的时间。直到1963年，美国科学家Cox和同事利用精确的定年技术证实了极性倒转的全球等时性，地磁倒转这一概念才开始被人们广为接受。

地磁倒转的时间并没有被发现有很明白的规律，平均持续7000多年，倒转期间地磁场强度降低了约90%。历史上它最快每隔1万年就能发生一次，最慢相隔4千万年才发生一次。上一次地磁倒转发生在78万年前，那么下一次呢？从1840年以来，地磁场强度持续降低，平均每一百年就降低6%，因此，就像我们开篇提到的，又有人根据南大西洋异常就开始怀疑地磁倒转已经开始。但是如果考察过去几千年的磁场变化就可以发现，目前的地磁强度降低仍属正常的波动范围，尚无理由相信这是值得大惊小怪的。

就说开始时说到的南大西洋异常区吧，发微博的人把这个区域扩大说的好像多么出乎意料。其实呢，科学家们一直在关注着南大西洋异常区，我给大家引用两张科学论文当中的图，大家可以看到，南大西洋异常区逐年的变化非常微弱，而且范围的变化也随11年周期太阳活动而变，整体改变的趋势并没有那么快：

1998-2008年的南大西洋异常区面积变化（图片引自：Zou et al., JGR 2015）

2004-2008年南大西洋异常区强度随月份的变化（图片引自：Schaefer et al., Space Weather, 2016）

曾有人根据我们前边说道的地磁场对地球生物的保护，提出与地球磁场和高能带电粒子相关的，地磁倒转引发生物灭绝的理论，但是近年来逐渐已经被广泛放弃。就我们所知，地球磁场至少经历过几百次倒转，我们根本找不到大规模的灾难与地球到转的时间相匹配的有力证据。也就是说，很可能非常非常多次倒转发生时，地球生物并没有“灭顶之灾”。

来源：中国科学院国家空间科学中心