为什么地球的磁场会在历史进程中发生翻转？人们在用数学方法模拟这种现象方面做了哪些尝试？

古地磁学家迈克尔·富勒是加州大学圣巴巴拉分校的荣誉教授，现在是夏威夷大学地球科学与技术学院地球物理与行星研究所的高级研究员。他的研究主要集中在夏威夷熔岩中捕获的磁记录以及海底岩芯中的极移现象。以下是他的解释。

我们从岩石中锁定的磁记录得知，地球的磁场在过去已经多次反转。我们并不真正知道原因，但我们有一些理论正在通过数学模型得到证实。

我们还知道，太阳的磁场也会反转——每 11 年一次，而地球的反转则不规律。地球上最后一次地磁反转大约发生在 78 万年前。地球历史上的反转率似乎是每几十万年一次，但变化很大；至少在两次情况下，磁场维持一种极性长达数千万年。

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因此，我们拥有任何重大历史记录的仅有的两个磁场——地球和太阳的磁场——都是双稳态的。它们大部分时间都处于稳定状态，磁场大致与自转轴对齐。稳定的地磁场的形状类似于地球中心的条形磁铁。它就是所谓的偶极场——具有北极和南极。但有时，这个偶极场的极性会发生切换——北极和南极反转——这个过程似乎需要数千年。

地球的磁场，像太阳的磁场一样，是通过发电机作用产生的，这涉及到两个过程。首先是从周围的地磁场中产生新的磁场。这种“磁场再生”之所以发生，是因为磁力线被困在良好的电导体中，例如地球外核的熔融铁。正如迈克尔·法拉第所证明的那样，磁力线的运动会受到电流的阻碍，从而抵消这种变化。由于核心中的熔融铁是良好的电导体，因此磁场被困在流体中——冻结场效应。当流体在施加于其上的力的作用下移动时，磁场会随着流体一起移动。随着核心的移动，磁力线被拉伸和扭曲，并产生新的磁场。

第二个过程是磁场的扩散。就像游泳池中的一滴彩色染料很快就会扩散到整个游泳池一样，磁力线的浓度也会扩散到整个地球的外核中。然而，这种扩散必须与冻结场效应作斗争。

这两个过程之间的平衡决定了磁场的演变——即磁场是衰减还是再生。在恒星和行星的较大尺度上，磁力线被卷入流体运动并发生扭曲。然后在它们扩散之前产生一个新的磁场。

地磁场不断变化。地磁场主偶极部分的衰减时间，其恒定性和简单几何形状允许通过磁罗盘进行导航，可能在 15,000 年左右。这种变化的最大部分涉及非偶极场中的较小特征，这些特征具有较小的时间常数和更复杂的几何形状。这种变化可能源于发电机作用的两个过程之一或两者都发生了微小的变化。

因此，罕见的磁场反转很可能是由外核中较大的流动变化，或磁力线通过扩散卷入流动的方式发生较大变化引起的。导致这种重大变化的原因尚不清楚。事实上，这种波动可能只是发电机过程中连续波动的极端例子——外核天气中的厄尔尼诺现象。

几年前，洛斯阿拉莫斯国家实验室的加里·A·格拉茨迈尔和加州大学洛杉矶分校的保罗·H·罗伯茨在地磁场的数学建模方面取得了显著的突破。他们求解了外核的电磁和磁流体动力学方程，从而获得了地磁场的计算机模拟。

该模拟产生了相对较长的时期，在此期间，磁场大致与旋转轴对齐，并被极点的快速翻转隔开。在这个模拟反转过程中，非偶极场占据主导地位。目前正在努力确定反转过程中过渡场的形态。并希望这些结果能够激发更真实的模型和对地球发电机工作原理的更好理解。

洛斯阿拉莫斯国家实验室地球物理与行星物理研究所的加里·A·格拉茨迈尔解释了磁场反转的计算机建模。

1995 年，我与加州大学洛杉矶分校的保罗·H·罗伯茨完成了并发表了第一个动态一致的三维地核发电机（地球液态外核中产生和维持地磁场的机制）计算机模拟。我们对超级计算机进行编程，以求解描述地球核心中流体运动和磁场产生物理的大量非线性方程。

模拟的地磁场，现在跨越了超过 300,000 年的等效时间，其强度、以偶极为主的结构和地表向西漂移都与地球的真实磁场相似。我们的模型预测，由于固体内核与上方向东的流体流动在磁力上耦合，其旋转速度应略快于地球表面。最近对穿过核心的地震波的研究支持了这一预测。

此外，计算机模型在 300,000 年的模拟过程中产生了三次地磁场的自发反转。因此，现在我们第一次获得了关于磁反转如何发生的三维、随时间变化的模拟信息。即使在我们的计算机模型中，这个过程也不简单。流体运动试图在几千年的时间尺度内反转磁场，但固体内核试图阻止反转，因为磁场在内核中不能像在液态外核中那样快速地发生变化（扩散）。

只有在极少数情况下，热力学、流体运动和磁场都以兼容的方式演化，才允许原始磁场完全从内核扩散出去，以便新的偶极极性可以扩散进来并建立一个反向磁场。该过程的随机性（随机）可能解释了地球上反转之间的时间为何变化如此之大。

答案最初发布于 1998 年 4 月 6 日。