地球的磁场是如何产生的？

撰文｜约翰·马特森（John Matson）

翻译｜庞玮

地球不但孕育了生命，还以它强有力的武器——磁场，时刻保护着这个生物赖以生存的家园，使生命得以延续。太阳风夺去了金星和火星上大量的水，而地球上的生命则在地球磁场的护卫下逃过了太阳风的魔掌。

地球强有力的磁场保护着这颗行星和居住于此的生命免受太阳风的侵袭，使它们不至于像金星和火星那样，由于缺乏坚强的护卫，在演化岁月中被来自太阳的离子风暴不断轰击。在太阳的离子风暴的轰击下，金星和火星上的水资源逐渐枯竭，大气层也日益薄弱。弄清地球磁场出现的时间表和地磁产生机制（地核外层的岩浆对流像发电机般产生地球磁场），有助于还原地球早期历史，揭示包括地质、气象和天文过程在内的各种因素是如何将地球打造成一处宜居之所的。

太阳风

太阳风是从太阳大气最外层的日冕，向空间持续抛射出来的物质粒子流。这种粒子流是从冕洞中喷射出来的，其主要成分是氢粒子和氦粒子。太阳风对地球的影响很大，当它抵达地球时，往往引起很大的磁暴与强烈的极光，同时也产生电离层骚扰。

美国罗切斯特大学的地球物理学家约翰·塔尔杜诺（John A. Tarduno）已经和同事一道对此展开研究。他们提供的证据表明，地球早在34.5亿年前就通过上述流体发电机的机制获得了磁场，此时距地球形成不过10亿年左右。这项研究成果发表在2010年3月5日的《科学》（Science）杂志上，它将地球磁场的历史提前了至少2亿年。从事相关研究的另一个小组曾在2007年提供了类似证据，不过他们的岩石样本年代稍晚，由此推测出的结论是地球在32亿年前便拥有了很强的地磁场。

磁力线保护地球：新的证据表明，保护着地球，使地球不被太阳风直接吹袭的地球磁场，可以追溯到大约34.5亿年前。这与生命诞生的时间大致吻合。

塔尔杜诺和他的研究组分析了来自卡普瓦尔克拉通（克拉通指地壳中相对稳定的部分）的岩石，这一区域位于非洲大陆南部尖端附近，仍保留着早期太古宙（太古宙为距今约38亿年前至25亿年前的这段地质时期）陆壳的原貌。他们在2009年发现，其中一些岩石在34.5亿年前曾被磁化过，而现有的直接证据表明生命诞生于约35亿年前，两者大致吻合。但这些岩石磁场也有可能是被地外磁场磁化的，如太阳风暴。金星就是一个例子，尽管它的内部磁场很弱，但太阳风暴对其浓密大气层的不断轰击，导致金星仍然拥有一个可探测到的行星磁场。

在这项研究中，他们测算了在卡普瓦尔岩石上留下现有磁场烙印所需的磁场强度，结果表明该磁场强度是现有地磁场强度的50％～70％，比预期的外部磁场（如微弱的金星磁场）强出好多倍。这一结果表明，当时存在的磁场应该是内部流体发电机产生的。

研究者进一步推测了当时的地磁场能在多大程度上抵御太阳风，由此发现太古宙早期地球的磁层顶距离地球表面约3万千米。磁层顶是地磁场抵御太阳风的最外层边界。如今地球磁层顶到地面的距离约为6万千米，具体位置会随太阳的极端能量喷发活动而不断变动。塔尔杜诺说：“35亿年前磁层顶的稳定位置，和如今超级太阳风暴发生时的磁层顶位置差不多。”磁层顶距离地面如此之近，无法完全屏蔽太阳风，因此早期地球或许已经失去过很多的水。

随着寻找太阳系外类地行星的步伐日益加快，塔尔杜诺说，今后在模拟行星的生命适宜程度时应该将行星风、行星大气和磁场之间的关系考虑进去。他指出，目前看来磁场对行星水储量的影响尤为重要。

美国华盛顿大学塔科马分校的地质学家彼得·塞尔金（Peter A. Selkin）认为，上述工作引人注目，结果也合乎情理。不过他也指出，虽然卡普瓦尔克拉通的矿物构成和环境温度在过去数十亿年间变化不大，“但并非原封不动地保持在初始状态”。他认为：“还要进一步分析塔尔杜诺及其合作者所用的矿石，不能急于下定论。”

加拿大多伦多大学的地球物理学家戴维·邓洛普（David J. Dunlop）对塔尔杜诺小组的结果有信心，他称此项工作“论证非常严谨”，将这些磁场出现的时间确定为距今34亿～34.5亿年前“是非常有把握的”。邓洛普还说：“能将地球发电机的启动时间再往前推，想想就让人激动，不过这似乎不太可能。”因为地球上再也没有其他地方能够获得自然界的垂青，将原始磁场的痕迹如此完整地保存下来了。