我们大多数人都认为指南针指向北方是理所当然的。数千年来，水手们一直依靠地球磁场来导航。对磁场敏感的鸟类和其他动物这样做的时间则更长。然而，奇怪的是，地球的磁极并非一直像今天这样定向。
记录地球过去磁场方向的矿物质揭示，在地球45亿年的历史中，磁场已经从北向南翻转了数百次，又从南向北翻转了回来。但是，已经有78万年没有发生过翻转了——远远长于反转之间的平均时间，大约为25万年。更重要的是，自1830年代首次测量以来，主要的地球磁场已经减弱了近10％。这大约是磁场自然衰减速度的20倍，如果磁场失去动力源的话。这仅仅是地球磁场的波动，还是另一次反转可能即将来临？
地球物理学家早就知道，波动磁场的源头位于地球中心深处。我们的家园星球，像太阳系中的其他几个天体一样，通过内部发电机产生自己的磁场。原则上，地球发电机的工作原理类似于我们熟悉的发电机，后者通过其运动部件的动能产生电场和磁场。在发电机中，运动部件是旋转的线圈；在行星或恒星中，运动发生在导电流体内部。在地球核心中循环着一片巨大的熔融铁海，其体积是月球的七倍以上，构成了所谓的地球发电机。
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直到最近，科学家们主要依靠简单的理论来解释地球发电机及其磁力之谜。然而，在过去的10年中，研究人员开发了探索地球发电机详细工作原理的新方法。卫星正在提供地球表面地磁场的清晰快照，同时在超级计算机上模拟类地球发电机以及在实验室中创建物理模型的新策略正在阐明这些轨道观测结果。这些努力为过去极性反转如何发生以及下一次此类事件可能如何开始提供了有趣的解释。
驱动地球发电机
在我们探索磁场如何反转之前，了解是什么驱动了地球发电机是有帮助的。到1940年代，物理学家已经认识到，产生任何行星磁场都需要三个基本条件。大量的导电流体，即地球富含铁的液态外核，是这些条件中的第一个。这个关键层包围着一个几乎由纯铁组成的固态内核，并位于2900公里厚的固态岩石之下，这些岩石构成了巨大的地幔以及大陆和洋底的超薄地壳。地壳和地幔的覆盖负担产生的平均核心压力是地球表面压力的两百万倍。核心温度也同样极端——约为5,000摄氏度，与太阳表面的温度相似。
这些极端的环境条件为行星发电机的第二个要求奠定了基础：为流体运动提供能量。驱动地球发电机的能量一部分是热能，一部分是化学能——两者都在外核深处产生浮力。就像炉子上煨着的汤锅一样，核心底部比顶部更热。（核心的高温是在地球形成过程中被困在地球中心的熱量的结果。）这意味着外核下部的热的、有浮力的铁倾向于像热汤块一样向上升起。当流体到达外核顶部时，它会在上覆的地幔中损失一部分热量。然后液态铁冷却，变得比周围介质更稠密，并下沉。这种通过上升和下沉的流体将热量从底部传递到顶部的过程称为热对流——产生磁场所需的第二个行星条件。
1960年代，现任职于加州大学洛杉矶分校的斯坦尼斯拉夫·布拉金斯基提出，从上地核逸出的热量也导致固态内核变大，从而产生了驱动对流的两个额外浮力源。当液态铁凝固成晶体附着在固态内核的外部时，会释放出潜热作为副产品。这种热量有助于热浮力。此外，密度较低的化合物，例如硫化铁和氧化铁，从内核晶体中排出并向上穿过外核，也增强了对流。
为了使行星自然产生自持磁场，第三个因素是必要的：旋转。地球的旋转，通过科里奥利效应，使地球核心内部上升的流体发生偏转，就像它将洋流和热带风暴扭曲成我们在气象卫星图像中看到的熟悉的螺旋形一样。在核心中，科里奥利力使上升的流体沿着螺旋状或螺旋形的路径偏转。
地球拥有富含铁的液态外核、驱动对流的足够能量以及扭曲对流流体的科里奥利力是地球发电机能够持续数十亿年的主要原因。但是，科学家需要更多的证据来回答有关出现的磁场的令人困惑的问题——以及为什么磁场会随着时间推移而改变极性。
磁场图
过去五年中，随着科学家们能够比较相隔20年拍摄的精确地磁场图，一项重大发现得以展开。一颗名为Magsat的卫星在1980年测量了地球表面上方的地磁场；第二颗卫星——Oersted——自1999年以来一直在做同样的事情[参见第33页的插图]。这些卫星测量提供了磁场一直到核-幔边界水平面的图像。但是由于核心内部强大的电流，研究人员无法对核心内部更复杂和强烈的磁场进行成像，而磁场波动就起源于此。尽管存在固有的局限性，但这些努力还是产生了一些值得注意的观察结果，包括关于可能发生新的极性反转的暗示。
尽管地球发电机产生了非常强烈的磁场，但只有大约1％的磁场能量延伸到核心外部。当在表面测量时，该磁场的主要结构称为偶极子，在大多数时候，偶极子大致与地球的自转轴对齐。像一个简单的条形磁铁一样，该磁场的主要磁通量从南半球的核心向外 направлен，并向下朝向北半球的核心。（指南针针指向地球的北地理极，因为偶极子的南磁极位于其附近。）但是卫星任务显示，磁通量并非均匀分布在全球。相反，偶极子场的大部分整体强度都源于北美，西伯利亚和南极洲海岸下方。
德国卡特伦堡-林道的马克斯·普朗克太阳系研究所的乌尔里希·R·克里斯滕森怀疑，这些大块区域在数千年内来来去去，并且源于核心内部不断演变的对流模式。类似的现象可能是偶极子反转的原因吗？来自地质记录的证据表明，过去的逆转发生在相对较短的时间内，大约4,000到10,000年。如果地球发电机关闭，偶极子将需要大约100,000年才能自行消失。如此快速的转变意味着某种不稳定性破坏了原始极性，同时产生了新的极性。
就个别反转而言，这种神秘的不稳定性可能是流动结构中某种混乱的变化，这种变化只是偶尔成功地反转了全球偶极子。研究古地磁记录的地球科学家，例如加州大学圣地亚哥分校的丽莎·陶克斯发现，偶极子强度波动很常见，但反转很少见。反转之间的时期长度从数万年到数百万年不等[参见第35页的插图]。
当另一组人分析了Magsat和Oersted卫星地图时，可能引发反转的变化的症状开始显现。巴黎地球物理研究所的戈蒂耶·胡洛特和他的同事注意到，地磁场的持续变化来自核-幔边界上磁通量方向与该半球正常方向相反的位置。这些所谓的反向磁通量斑块中最大的一块从非洲南部尖端下方一直延伸到南美洲南部尖端以西。在这个斑块中，磁通量是向内的，朝向核心，而南半球的大部分磁通量是向外的。
斑块产生
调查人员通过比较最近的Oersted磁场测量结果与1980年的测量结果得出的最重要结论之一是，新的反向磁通量斑块继续在核-幔边界上形成，例如在北美东海岸和北极下方。更重要的是，较旧的斑块已经增长并略微向两极移动。在1980年代后期，英国利兹大学的大卫·古宾斯使用较粗糙、较旧的磁场图注意到，这些反向磁通量斑块的扩散、增长和向极地迁移是偶极子历史性衰减的原因。
这种观察结果可以通过使用磁力线概念（实际上，磁场在空间中是连续的）进行物理学解释。我们可以将这些力线视为“冻结”在液态铁核中，因此它们倾向于跟随其运动，就像搅拌玻璃杯中的水时，染料丝在水中旋转一样。在地球核心中，由于科里奥利效应，流体中的涡流和漩涡将磁力线扭曲成束，看起来有点像一堆意大利面条。每次扭曲都会将更多的力线塞进核心，从而增加磁场中的能量。（如果这个过程不受控制地继续下去，磁场将无限期地增强。但是电阻倾向于扩散和消除磁力线中的扭曲，足以抑制磁场的失控增长，而不会扼杀发电机。）
正常和反向的强磁通量斑块在核-幔边界上形成，当涡流和漩涡与东西方向的磁场（描述为环形场）相互作用时，这些环形场淹没在核心内部。这些湍流的流体运动可以将环形磁力线弯曲和扭曲成称为极向场的环，这些极向场具有南北方向。有时，弯曲是由上升流中的上升流体引起的。如果上升流足够强，则极向环的顶部将从核心中喷出[参见下面的框]。这种喷出产生一对磁通量斑块，环的末端在这些斑块处穿过核-幔边界。这些斑块之一具有正常方向的磁通量（方向与该半球的整体偶极子场方向相同）；另一个斑块具有相反或反向的磁通量。
当扭曲导致反向磁通量斑块比正常磁通量斑块更靠近地理极时，其结果是偶极子减弱，偶极子对极点附近的变化最敏感。实际上，这描述了非洲南部尖端下方的反向磁通量斑块的当前情况。为了使实际的全球极性反转发生，这样的反向磁通量斑块将增长并吞没整个极地地区；同时，在另一个地理极附近也会发生类似的整体区域磁极性变化。
超级计算机模拟
为了进一步研究反向磁通量斑块如何发展以及它们如何预示下一次极性反转的开始，研究人员在超级计算机和实验室中模拟了地球发电机。计算机发电机模拟的现代时代始于1995年，当时三个小组——现任JAMSTEC的影山聪和他的同事；加州大学洛杉矶分校的保罗·H·罗伯茨和我们中的一位（格拉茨迈尔）；以及英国埃克塞特大学的克里斯托弗·A·琼斯和他的同事——独立开发了数值模拟，这些数值模拟产生了类似于地球表面磁场的磁场。从那时起，代表数十万年的模拟已经证明，对流确实可以在核-幔边界上产生反向磁通量斑块——就像在卫星图像中看到的那样。这些斑块在计算机模拟中来来去去，但有时它们会导致自发的磁偶极子反转。
计算机生成的极性反转为研究人员提供了关于这种转换如何起源和进展的初步了解[参见第34页的框]。一个三维模拟——为了模拟30万年，它必须每天运行12个小时，持续一年多——将反转的开始描绘为偶极子场强度的降低。然后，几个反向磁通量斑块开始出现，例如现在在核-幔边界上形成的那些斑块。但是，反向磁通量斑块并没有完全消除磁场，而是在过渡期间创建了一个具有复杂极性混合的弱磁场。
从模型地球的表面观察，当反向磁通量斑块开始主导核-幔边界上的原始极性时，就会发生偶极子的反转。总共花费了大约9,000年的时间，旧的极性消散，新的极性在整个核心中确立。
可能缺少什么
部分基于这些成功，计算机发电机模型正在迅速扩散。据最新统计，全球已有十多个小组正在使用它们来帮助理解太阳系及其他天体中发生的磁场。但是，地球发电机模型在多大程度上捕捉了地球中实际存在的发电机？事实是，没有人能确定。
还没有计算机发电机模型能够模拟行星内部存在的广泛湍流，这主要是因为大规模并行超级计算机的速度还不够快，无法在三维中以实际物理参数精确地模拟磁湍流。地球核心中扭曲磁场的最小湍流涡流和漩涡可能发生在米到数十米的尺度上，远小于当前超级计算机上的当前全球地球发电机模型可以分辨的尺度。这意味着迄今为止所有地球发电机的3-D计算机模型都模拟了层流对流的简单、大规模流动，类似于热矿物油在熔岩灯中上升。
为了模拟层流模型中湍流的影响，研究人员使用了不切实际的大流体粘度值。为了在计算机模型中实现真实的湍流，研究人员必须求助于二维视图。折衷方案是2-D流动无法维持发电机。但是，这些模型确实表明，在当前地球发电机模拟中看到的层流比地球核心中最有可能存在的湍流平滑和简单得多。
可能最显着的差异在于流体在核心中上升时所遵循的路径。在简单的层流对流模拟中，大型羽流从核心底部一直延伸到顶部。另一方面，在湍流2-D模型中，对流的特征是多个小规模的羽流和涡流，这些羽流和涡流在核心的上下边界附近分离，然后在对流区的主要部分内相互作用。
流体流动模式的这种差异可能会对地球磁场的结构以及发生各种变化所需的时间产生巨大影响。这就是为什么调查人员正在勤奋地追求下一代3-D模型的原因。也许在十年后的某一天，计算机处理速度的进步将使产生强湍流发电机模拟成为可能。在那之前，我们希望从正在进行的实验室发电机实验中学习更多。
实验室发电机
改进对地球发电机理解的一个好方法是将计算机发电机（缺乏湍流）与实验室发电机（缺乏对流）进行比较。科学家们早在1960年代就证明了实验室规模发电机的可行性，但成功之路漫长。实验室装置与行星实际核心之间的巨大尺寸差异是一个至关重要的因素。自持流体发电机要求某个无量纲参数（称为磁雷诺数）超过最小数值，大约为10。
地球核心具有较大的磁雷诺数，可能约为1,000，这主要是因为它具有较大的线性尺寸（核心半径约为3,485公里）。简而言之，除非您能以极高的速度移动流体，否则很难在小体积流体中创建较大的磁雷诺数。
在实验室流体发电机中产生自发磁场的数十年梦想在2000年首次实现，当时两个小组——一个由拉脱维亚大学的阿格里斯·盖利蒂斯领导，另一个由卡尔斯鲁厄研究中心的罗伯特·斯蒂格利茨和乌尔里希·穆勒以及德国拜罗伊特大学的弗里茨·布斯领导——在大量液态钠中独立实现了自发电。（使用液态钠是因为它具有高导电性和低熔点。）这两个小组都找到了在长度为一到两米的螺旋管系统中实现高速流体流动的方法，从而达到了约10的临界磁雷诺数。
这些实验结果支持了该理论，这让我们在将关于发电机的理论思想应用于地球和其他行星时有了一定的信心。在世界各地的实验室中——法国格勒诺布尔大学、马里兰大学、威斯康星大学麦迪逊分校和新墨西哥矿业与技术学院——科学家们正在开发下一代实验室发电机。为了更好地模拟类地球几何形状，这些实验将在巨大的球形腔室内搅拌液态钠——最大的直径接近三米。
除了正在进行的更逼真的实验室发电机和3-D计算机模拟计划外，国际卫星CHAMP（具有挑战性的迷你卫星有效载荷的缩写）正在以足够的精度绘制地磁场图，以直接实时测量其在核-幔边界的变化。调查人员预计，这颗卫星将在其五年任务期间提供地磁场的连续图像，使他们能够观察反向磁通量斑块的持续增长以及关于偶极子场正在减弱的其他线索。
我们期望在未来一二十年内，这三种新方法——卫星观测、计算机模拟和实验室实验——将发生综合。通过对非凡的地球发电机有更完整的了解，我们将了解我们目前关于磁场及其反转的观点是否走在正确的轨道上。
作者 加里·A·格拉茨迈尔 和 彼得·奥尔森 开发计算机模型来研究行星和恒星内部的结构和动力学。在1990年代中期，时任洛斯阿拉莫斯国家实验室地球物理与行星物理研究所（IGPP）的格拉茨迈尔（与加州大学洛杉矶分校的保罗·H·罗伯茨共同）创建了第一个地球发电机模拟，该模拟产生了自发的磁偶极子反转。自1998年以来，格拉茨迈尔一直担任加州大学圣克鲁兹分校地球科学系和IGPP的教授。奥尔森对地球核心和地幔如何相互作用以产生地磁场、板块构造和深地幔柱特别感兴趣。他于1978年加入约翰·霍普金斯大学地球与行星科学系，在那里他向1000多名学生介绍了地球物理学。