地球磁场及其随时间的变化
地球包围着一个看不见的且强大的盾牌：它的磁场。这就是导致北极和南极周围的天空中跳舞的原因，并保护地球上的生命从太阳的太阳系中的太阳系中的太阳能粒子的强烈流。但我们怎样才能理解我们甚至无法看到的东西？
数百年来，人类一直使用指南针来导航，这仍然是我们看到地球磁场活动的最简单的方法。科学家们还可以测量它在地球表面附近的强度，以及它的方向，卫星在它的持续监测中发挥着至关重要的作用。
今天磁场的稳定性不仅对保护地球上的生命很重要，对我们的技术也至关重要。移动电话依靠它来正确识别自己的位置。太阳风(地磁暴)的增加可以破坏电网、通信、卫星和导航系统，如果没有稳定的磁场保护地球，我们将难以置信地容易受到太阳风暴事件的影响。
了解磁场是如何随时间变化的有望给我们提供一些线索，帮助我们了解它在未来可能会如何波动。地球的岩石中保存着关于地球过去磁场的线索(古地磁记录)，像巴西国家天文台的丹尼尔·弗兰科博士这样的地球物理学家可以把这些线索结合在一起来理解古磁场可能的行为。
产生磁场
要理解为什么地球磁场会随着时间而变化，我们首先必须了解它是如何形成的。磁场可以由磁铁产生，磁铁是一块永久磁化的金属，可以吸引或排斥其他材料。磁铁会产生一个看不见的磁场，它描述了磁铁周围的影响区域。磁体有两个极点，一般称为北极和南极，磁场从北极流动，围绕磁体的外部到南极。众所周知，地球磁场有北极和南极(我们称这种磁场为轴向偶极)，当你拿着指南针站在地球表面时，指针会与指向北极的磁场对齐。然而，它比产生地球磁场的金属磁铁要复杂得多。
复杂的数值模型有助于地质学家理解
更多关于地球古磁场变化及其原因的信息。
发电机也能产生磁场。当流动的电流产生磁场时。在地球深处，具有传导电流能力的流体在不断流动。地球的内核非常热，超过5000°C，这种热驱动了地球流体和金属外核的对流。当行星旋转时，这些对流被迫形成柱子，沿着柱子移动电流，产生一个巨大的磁场，延伸到地球周围的空间。
地球磁场的结构类似于一个简单的磁体，有北极和南极。测量地球磁场的科学家注意到两极的位置并不是完全固定的。例如，北极在过去的几百年里一直在“徘徊”，缓慢地向西伯利亚移动。然而，地球磁场的地质记录表明，这并不是唯一一种发生的磁场波动。
古地磁学
对记录了数百万年地球磁场及其波动的岩石的研究被称为古地磁。地球磁场的记录记录在特定的矿物中，这些矿物存在于特定类型的岩石中，特别是在火山活动期间挤压的火成岩中。这些矿物质富含铁，当熔岩还是流动的时候，它们就会像指南针一样与地球磁场对齐。一旦熔岩冷却形成岩石，这些矿物就直接记录了当时地球磁场的强度和方向。
地质学家整理了这张超过十亿年前的古地磁记录。早在20世纪20年代，研究这一记录的地质学家就注意到了一些奇怪的事情。一些磁性矿物排列的方向与今天的磁场方向相反，这表明在地球的历史上，地球偶极的北极和南极发生了交换。因此，地球的磁场在其整个历史过程中经历了大大小小的变化;这些随时间的变化被称为古长期变化。
磁极的运动及其随时间的极性倒转率是由地球磁场结构成轴向偶极的程度所控制的。
研究地磁逆转
佛朗哥博士和他的团队，包括研究生Wellington Paulo de Oliveira和Felipe Barbosa Venâncio de Freitas，正在使用复杂的数值模型来了解更多关于地球古磁场的变化以及它们可能发生的原因。他们调查了一个古地磁倒转异常多的地质区间(这种倒转的高速率约为每百万年6次)。伊尔瓦拉混合极性超带发生在2.67亿至2.29亿年前，和团队深入数据集古地磁的收集信息,包括磁场极性(南北两极的取向地球的轴向偶极场)和paleosecular变化(长期时间变化的地球磁场在当地,区域,和全球尺度)在这段时间内。
研究人员将这一时期的频繁地磁倒转与其他时期进行了比较，发现有类似数量的地磁倒转。他们发现磁极在时间中的运动可能是由地球磁场的轴向偶极结构所控制的。大部分的地球磁场是偶极结构的一部分(北极和南极),但是有另外,复杂的过程,有时会导致小磁场的变化意味着更少的整体结构就像一个偶极子,并且甚至有可能多个波兰人。团队指出,这些时间的地质记录较高的地磁逆转时发生的轴向偶极结构地球磁场较弱——这也伴随着更高的热通量在地幔边界——这些变化的总体结构。
什么导致地磁倒转?
佛朗哥博士和他的团队的目的是更好地理解地磁倒转和古长期变化是如何作为热梯度的函数演化的。这一直是研究古地磁逆转的地质学家争论的话题。由于地核本身的变化，以及地核的热提取和地核与地幔之间的边界之间的联系，古长期变化是如何发生的，这是不确定的。
该研究小组利用他们的数值模型研究了地核-地幔边界热流(有多少热量从外核转移到下地幔)和地球磁场与偶极结构的相似程度之间的关系。
研究人员发现，当从核心传递到地幔时，地球的磁场的行为更像是轴向偶极子（北极和南极相对），因此当存在较低的热通量时磁场更频繁地逆转。相反，当核心地幔边界热通量升高时，地球磁场中存在较高的逆转速率，因为其结构变得不太像偶极子。这表明在地质时间段期间，在地磁性逆转率高的地质时间期间，例如混合极性的islwarra高速，从地球芯进入其地幔时会更大的热量。
今天古地磁的重要性
复杂的数值模型，例如Franco博士和他的团队使用的数值模型，这些模型用于更好地了解地球磁场结构，驱动地磁和古代变异的发电机是相对近期的科学突破。这些是令人难以置信的复杂系统，对地球上的生活产生了重大影响。“过去是现在的关键”的想法是地质学家的重要概念，从地球的地质历史中的信息审查了希望理解当今地球上发生的事情以及我们未来所期望的内容。地球磁场的波动affect all of us, and so if we can begin to understand how features such as the currently wandering magnetic north pole might mean for the overall structure of Earth’s magnetic field and what might be causing these changes, we can be better prepared for future fluctuations in Earth’s invisible shield.
个人反应
为什么你认为了解地球磁场如何改变是如此重要？
- 它如何逆转其极性;
- 可能涉及的地球动力学机制及其操作时间尺度;和
- 地球的磁场为生命提供了一个重要的盾牌——磁层——抵御来自太阳和外太空的高能粒子。
有可靠的证据表明磁场强度可能在地磁倒转期间降低，这可能也会影响磁层。这就是为什么认识地磁倒转的“迹象”及其相关机制是重要的。
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