編者按："浩瀚的空天還有許多未知的奧秘有待探索"，為此,，中科院之聲與中國科學院國家空間科學中心聯(lián)合開設“Calling太空”科普專欄,，為大家講述有趣的故事，介紹一些與空間科學和航天相關的知識,。

最近有些朋友在網(wǎng)上轉(zhuǎn),，說美國國家航空航天局（NASA）公布的地磁圖上，就像下邊微博附帶的圖上一樣,，用紅藍顏色代表地球磁場強度時,，在南大西洋的上空有個地球磁場強度非常低（藍色）的區(qū)域，范圍還特別大,。一些報道用上了“斷裂”,、“大坑”、“凹痕”等形容,，以及“奇怪”,、“可怕”,、“嚴重”之類的詞匯,，渲染說這樣一種異常發(fā)展猛烈，甚至會帶給人類滅頂之災,，因為這個現(xiàn)象與地磁倒轉(zhuǎn)是直接相聯(lián)系的,。

網(wǎng)友暢所欲言（圖片來自網(wǎng)絡）

大家在積極參與討論的同時，對這些事也不必過分緊張,。南大西洋地磁異常區(qū)域,，科學家發(fā)現(xiàn)和確認已經(jīng)超過50年,，而在這之前已經(jīng)存在了許多許多年,。目前沒有任何證據(jù)或者可靠的理論說它會對我們?nèi)祟惖纳町a(chǎn)生影響。

你考試沒及格,？我開車闖了紅燈,？隔壁老王家不孕不育……地磁異常就跟許多人篤信的神仙一樣，對它來說,，我們?nèi)祟惖纳钐煨×?，你我的煩惱不值一提。今天我們就來聊一聊地磁圖上顯現(xiàn)出來的這個“坑”。

有些喜好神秘故事的朋友應該聽說過神秘的“百慕大三角”區(qū)域,，其實這個區(qū)域就是咱們要聊的南大西洋的一角,。很多研究認為飛機、輪船經(jīng)過這個區(qū)域時,，通訊,、導航很容易出錯，甚至電子儀器本身失靈,，最后導致事故,，而這些可能是磁場以及與之相關的帶電粒子特征引起的。

根據(jù)地球磁場的測量,，南大西洋上空有一大塊區(qū)域的磁場強度比世界其他地區(qū)弱了30~50%,，弱化的速度也比其他地區(qū)快了10倍，既然與“正?！狈浅２煌?，故而被稱做南大西洋異常區(qū)（South Atlantic Anomaly）。它的中心在南美洲與非洲之間的大西洋,，范圍涵蓋了南美洲西南,、非洲南端以及兩者之間的大西洋南部。

地球磁場是個怎么回事呢,？磁場是一種看不見,、摸不著的特殊物質(zhì)，它不是由原子或分子組成的,，但是實際存在,。磁體周圍存在磁場，磁體間的相互作用就以磁場為媒介,，所以兩磁體不用接觸就能發(fā)生作用,。很早以前，人類就已經(jīng)知道磁石及其磁性,，也發(fā)明了指南針,，因為它總是有一端直著南（另一端自然就是指北）。而我們的地球其實就好像一個大磁鐵,。磁鐵北極在地理南極附近,，磁鐵南極在地理北極附近，地磁軸和地理軸之間有大概11°的偏差,。

地球和它的磁場（圖片來自網(wǎng)絡）

法國學者皮?！さ埋R立克（Pierre de Maricourt）于公元1269 年論述了他仔細標明鐵針在塊型磁石附近各個位置的定向,，也就是用磁鐵指向的方向定義磁場方向，從這些記號描繪出很多條線,，也就是上圖中的磁力線或磁場線,。他發(fā)現(xiàn)磁力線匯聚于磁石的相反兩端位置，他稱之為磁極,，如下圖所示,，磁力線從北極（N）指向南極（S）。后來威廉·吉爾伯特主張地球本身就是一個大磁石,，其兩個磁極分別位于南極與北極,，所以在地面上看磁鐵會指向南北方向。

磁力線指示了磁場的方向,，從北極（N）指向南極（S）（圖片來自網(wǎng)絡）

如此看來,，地球的磁場在地面不同地方的大小和方向都不會是完全一樣的了。有一些常用的表現(xiàn)磁場特征的參數(shù),，我們習慣叫地磁7要素,，包括了磁場總強度、水平方向的強度,、垂直方向的強度,、向東的強度、向北的強度,，這些向各個方向的強度稱為分量,，也就是水平分量、垂直分量等等,，也包括了跟水平面的夾角（磁傾角）以及水平分量跟北向之間的夾角（磁偏角,，也就是相對于向北轉(zhuǎn)過的角度）。這些參量在不同地方不同,，隨著時間也存在變化,。

我們地球的磁場對地球生物圈有雙重保護作用：一是避免外來的高能帶電粒子入侵，二是減少大氣層中的帶電粒子逃逸,。因為帶電粒子在磁場中運動會受到使它轉(zhuǎn)向的“洛倫茲力”,，所以通常是“拘束”在磁場周圍的，而能量很強的帶電粒子也很難輕易“逾越”磁力線的控制,。對來自宇宙（主要是太陽）的高能粒子而言,，它們“吹”向地球并遭遇地球磁場時，會被磁場彈開,，或者隨著磁場去到地球的夜晚側(cè)很遠的地方，有些遠離地球而去、有些經(jīng)過“千辛萬苦”后進入到咱們地球周圍的空間中,；對于地球的帶電粒子（主要是因為太陽輻射形成）,，地球的磁場也控制住它們在地球周圍飛行，難以離開,。

顏色代表地球周圍高能粒子的強度（圖片來自網(wǎng)絡）

地球的南大西洋地磁異常主要是磁場強度的異常,，這里約是同緯度正常區(qū)磁場強度的一半大小。現(xiàn)在我們認為,，地核中的力和磁軸的傾斜共同產(chǎn)生了異常,，也就是說，地球作為一個大磁鐵,，本身在地核當中形成巨大磁場的時候,，作為磁鐵的軸已經(jīng)是偏的了，并沒有與咱們地球的地軸重合,，而是處在更加遠離南大西洋的一側(cè),，另外磁軸一直在向西漂移。一些復雜而不規(guī)則的形狀和過程帶來了一個地磁“異?！钡膮^(qū)域,。

雖然南大西洋異常是由地球內(nèi)部的過程引起的，但它的影響遠遠超出了地球表面,。這一區(qū)域?qū)τ诖┰剿慕剀壍佬l(wèi)星來說可能是危險的,。如果一顆衛(wèi)星被高能質(zhì)子擊中，它會短路并引起一個稱為單粒子翻轉(zhuǎn)或單粒子翻轉(zhuǎn)的事件,。這可能導致衛(wèi)星功能暫時出現(xiàn)故障,，或者在關鍵部件被擊中時造成永久性損壞。我們前文說的“百慕大三角”區(qū)域的種種事故,，也與磁場,、高能粒子相關的過程有關。

不過,，我們講的這些危險僅限于發(fā)生在南大西洋地區(qū)上空數(shù)百公里高的空中,。只有上千公里高的空中會有能對你我人類以及人類生活產(chǎn)生影響的很高能量的帶電粒子，它們在大氣中會因為碰撞而失去能量,，根本到不了你我的身邊,。南大西洋異常區(qū)由于地磁異常，這個高度會下降到幾百公里,，但是,！幾百公里是什么概念呢,？飛機一般只飛10-20公里高而已！

飛機飛得比云更高,，但也到不了衛(wèi)星的數(shù)百公里高度（圖片來自網(wǎng)絡）

那么,，很多人關心的，與南大西洋異常相聯(lián)系的,，地磁倒轉(zhuǎn)是什么樣的東西,，有多危險呢？

地磁倒轉(zhuǎn)是指地球磁場方向發(fā)生變化,，也就是北磁極和南磁極的對調(diào),，該過程伴隨著磁場強度先減弱后增加。早在17世紀,，人們就已經(jīng)注意到了強磁化的巖石對羅盤指針有明顯的影響,。到18世紀中葉，一些學者發(fā)現(xiàn)某些巖石是沿著地磁場被磁化的,，這說明某些古代的巖石是可以記錄下當時的地磁場信息,。20世紀初，法國科學家David和Brunhes對被熔巖流烘烤過的物質(zhì)進行了研究,，他們發(fā)現(xiàn)這些物質(zhì)所顯示出的磁化方向與當前地磁場方向相反,。于是，科學家大膽地猜測地磁場在歷史上曾經(jīng)發(fā)生過極性倒轉(zhuǎn),。后來,，科學家們研究了全球各地的火山熔巖，證實了磁場的反向是一個全球性的現(xiàn)象,。至此,，已經(jīng)可以肯定地磁場的極性確實曾經(jīng)與當前情況相反，但是當時尚無技術能確定極性倒轉(zhuǎn)發(fā)生的時間,。直到1963年,，美國科學家Cox和同事利用精確的定年技術證實了極性倒轉(zhuǎn)的全球等時性，地磁倒轉(zhuǎn)這一概念才開始被人們廣為接受,。

地磁倒轉(zhuǎn)的時間并沒有被發(fā)現(xiàn)有很明白的規(guī)律,，平均持續(xù)7000多年，倒轉(zhuǎn)期間地磁場強度降低了約90%,。歷史上它最快每隔1萬年就能發(fā)生一次,，最慢相隔4千萬年才發(fā)生一次。上一次地磁倒轉(zhuǎn)發(fā)生在78萬年前,，那么下一次呢,？從1840年以來,，地磁場強度持續(xù)降低，平均每一百年就降低6%,，因此,，就像我們開篇提到的,，又有人根據(jù)南大西洋異常就開始懷疑地磁倒轉(zhuǎn)已經(jīng)開始,。但是如果考察過去幾千年的磁場變化就可以發(fā)現(xiàn)，目前的地磁強度降低仍屬正常的波動范圍,，尚無理由相信這是值得大驚小怪的,。

就說開始時說到的南大西洋異常區(qū)吧，發(fā)微博的人把這個區(qū)域擴大說的好像多么出乎意料,。其實呢,，科學家們一直在關注著南大西洋異常區(qū)，我給大家引用兩張科學論文當中的圖,，大家可以看到,，南大西洋異常區(qū)逐年的變化非常微弱，而且范圍的變化也隨11年周期太陽活動而變,，整體改變的趨勢并沒有那么快：

1998-2008年的南大西洋異常區(qū)面積變化（圖片引自：Zou et al., JGR 2015）

2004-2008年南大西洋異常區(qū)強度隨月份的變化（圖片引自：Schaefer et al., Space Weather, 2016）

曾有人根據(jù)我們前邊說道的地磁場對地球生物的保護,，提出與地球磁場和高能帶電粒子相關的，地磁倒轉(zhuǎn)引發(fā)生物滅絕的理論,，但是近年來逐漸已經(jīng)被廣泛放棄,。就我們所知，地球磁場至少經(jīng)歷過幾百次倒轉(zhuǎn),，我們根本找不到大規(guī)模的災難與地球到轉(zhuǎn)的時間相匹配的有力證據(jù),。也就是說，很可能非常非常多次倒轉(zhuǎn)發(fā)生時,，地球生物并沒有“滅頂之災”,。

來源：中國科學院國家空間科學中心