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地球磁场为何会倒转? 科学家提大雪崩假说

2006年4月17日 11:07
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上 海

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  •   美国的好莱坞似乎每过一段时间就会推出一部科幻灾难影片,其中有些电影镜头会让科学家笑话,因为影片犯了许多科学错误;而有些镜头则让科学家点头称是,认为确实言之有理。比如,有一部灾难片就假想地球磁场崩溃后的场景。而真实的地球历史上,确实多次出现磁场减弱甚至磁场发生倒转的现象,在过去的1.6亿年中,地球的磁场经常发生倒转,地磁南极变成地磁北极,地磁北极变为地磁南极的事件频繁发生。

      但地球磁场为什么会倒转呢?直到今天,科学家们还没有定论。

      地下大雪崩

      为了解释地球磁场为什么会倒转,美国的马勒教授提出了一个假说,这个假说认为,地球磁场倒转是地核与地幔边界处的物质的“大雪崩”造成的。

      地球的地核分成内地核和外地核两部分,内地核是固态的铁芯(据猜测还含有镍),如月球般大小;外地核则是液态的铁,
    如火星般大小。地核之上的地幔层由密度很大的岩石组成,它和固态的铁芯把液态的外地核夹在中间。在液态的外地核与岩石质的地幔之间是不规则的边界面,也有地形的起伏,这和地球表面起伏不定的地貌类似。

      多数地质学家认为,地球的磁场产生于外地核液态铁的对流,液态的铁流动起来,相当于电流的性质,而电流能够产生磁场。马勒则进一步认为,外地核的物质对流可能是由于铁在内地核表面结晶所导致的。

      他分析道,在地下5000公里深的地方,是内地核与外地核的交界处,在这里,外地核液态的铁时时结晶为固态,在这个过程中,液态铁里含有的一些密度轻的成分,比如氧、硫和硅,被释放并上升到距离地面2900公里深的核幔边界处。核幔边界处的温度比内地核表面低1000℃左右,因此那些轻的成分在核幔边界冷却,并浓缩成泥泞的沉积物。每100万年大概会堆积出几十米厚的沉积层,这些沉积物向上“落”在地幔下表面不平坦的地形上。由于核幔边界的地形起伏不定,有的地方比较陡峭,沉积物甚至会沿着斜坡滑动。

      在轻密度沉积物向上升的过程中,在沿途会使外地核的液态铁向内地核的方向流动,碰到坚固的内核后,液态铁流又会返回。科学家猜测,铁流的往返运动使地球出现了磁场,在正常时期,磁场是稳定的。

      沉积物的积累和滑落过程每时每刻都在发生,液态铁流的往返运动同样也是每时每刻都在发生,但是地球磁场的倒转却并不是那么频繁的。因此马勒猜测,地下铁流和沉积物正常的上升和下落并不会强烈地改变地球磁场,只有那些剧烈的地下物质“大雪崩”,才会使地下发生翻天覆地的变化,地球磁场发生混乱,甚至出现磁场的倒转。上涌的物质流还会加热地核之上的地幔,让一些岩浆奔涌到达地球表面,形成大面积的火山岩。

      地磁倒转的根本原因

      马勒相信,只有很少的事件能够引发核幔边界的沉积物大雪崩,比如,当一个小行星或彗星以倾斜的角度撞击地球表面时,地下壳幔边界处的沉积物质会被侧向推移,厚重如山一般的沉积层剧烈振荡,破坏了外地核液态铁流的正常流动,搅动了地下世界,地球的磁场因此而发生倒转。

      小行星撞击地球带来的生物大灾难是大家所熟知的,人们发现,伴随着小行星的撞击,地下岩浆会喷涌出来,形成面积广大的玄武岩。撞击是如何使地下物质以岩浆的形式喷出,形成玄武岩(火山岩的一种)覆盖地球表面的呢?马勒根据自己的假说认为,小行星或彗星撞击地球后,核幔边界处的沉积物被振荡,热的铁流会在某些薄弱处与地幔接触,迅速加热地幔物质,产生的岩浆上升到地壳的缝隙处,喷涌上来形成大面积的玄武岩。

      马勒用自己的“地下大雪崩假说”将地外星体撞击和地下物质运动联系了起来,描述了地磁倒转时发生的一连串的事件:

      小行星或彗星倾斜地撞击到地球上;

      撞击在地表引发了生物大绝灭;

      撞击搅乱了核幔边界的沉积层,使地球磁场在几千年中崩溃;岩浆喷涌出地表,形成玄武岩;

      撞击甚至造成了地下物质上百万年的振荡;

      最后,地球磁场缓慢地重建,地球磁极再次形成,发生了倒转。

      不过,有些学者质疑,引起恐龙灭绝的星体撞击事件确实曾伴随着印度德干高原的大面积的玄武岩的出现,但是当时却并没有发生地磁的倒转,这又该如何解释呢?马勒认为,原因很简单,6500万年前的那次撞击是一次直立撞击。

      造成恐龙绝灭的那颗星体撞到了中美洲尤卡坦半岛上,形成了一个大型的撞击坑。地质研究显示,尤卡坦半岛的大型撞击坑确实是直立撞击的产物。直立撞击不会在地幔和地核边界产生水平方向的分力,因此就无法造成那里的沉积物大雪崩,也就不会出现地磁倒转。而倾斜撞击则不同,一次大的倾斜撞击将强烈地影响核幔边界的沉积物状态,引发地磁倒转。

      “预言”过去

      利用自己的假说,马勒居然“预言”了一个人们没有注意到的远古现象。

      在地球磁场倒转的历史纪录中,有一个被称为“漫长沉寂”的时期,这个时期从距今1.2亿年开始,持续了3500万年,竟然一次地磁倒转也没有发生过。在这个时期结束后,地磁倒转再次出现,而且又开始频繁发生,就像正常的时候一样。以前的科学家这个反常的现象无法做出合理的解释。

      根据自己的假说,马勒断定,漫长沉寂说明地下沉积物不发生大雪崩,表明此前必定有一次剧烈的撞击“消耗”了大量的沉积物。在沉积物大雪崩导致地磁倒转后,由于沉积物的积累需要一定的时间,没有聚集足够的沉积物,即使发生星体撞击地球的事件,也不可能再次引发大雪崩,导致长时间根本没有地磁倒转的情况。因此,在漫长正常时期开始前,应该有一次剧烈的撞击事件,而且伴随着撞击事件,应该有岩浆涌出,形成大面积的玄武岩。然而,令他烦恼的是,他并没有在地质资料中找到这样的证据。

      难道自己的假说错了?马勒把自己的困惑讲给一位著名的地质学家阿瓦尔斯。阿瓦尔斯不是别人,正是首先提出恐龙绝灭由地外星体撞击引起,并找到证据的地质学家。阿瓦尔斯告诉马勒,他使用的玄武岩资料仅仅是大陆上的,因此并不完整。全球最大的玄武岩区域其实位于西太平洋洋底,正好形成于1.2亿年前,和地球磁场倒转的漫长沉寂时期开始的时间吻合。

      这真是个出乎意料的好消息。马勒很高兴,因为他“预言”了这个过去的现象,虽然海底玄武岩很早之前就被别人发现了,但他此前并不知情。显然,1.2亿年前地球发生剧变,核幔边界处的沉积物大雪崩,造成了地磁倒转,此后的漫长时间里,沉积物虽然也在积累,但是量很少,无法形成使地磁再次倒转的力量。这就是对“漫长沉寂”的合理解释。

      人类还不可能去地心旅行,要亲眼看到地下的物质大雪崩,目前还不可能的。不过面对地球磁场倒转这个重大问题,马勒觉得即使无法亲眼目睹地下那壮观的场面,自己也已经找到了正确的答案。

     
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