人类总是幻想着能够在无尽的宇宙中找到邻居，但是到目前为止，在浩瀚的宇宙中，与地球类似的行星实在太难找了。我们生活在一个具有磁性的星球上，地球本身就是一个巨大的磁场，而这正是地球的独特之处。
细菌体内也有永磁体？
磁力是最强大、最基本的力量之一，它和我们的生活密切相关。也许，正是因为有了强大的磁场，地球才变得生机勃勃，欣欣向荣。人类对地球磁场最常见且最古老的利用之一是使用罗盘指示方向，而动物在利用地球磁场方面则比人类聪明得多。据科学研究表明，许多生物，如鸽子、龙虾和某些细菌等，体内都含有用来判别方向的永磁体，它保证了这些生物永远不会迷失方向。
地球磁场更重要的作用在于它时刻保护着地球生物免受宇宙线的伤害。宇宙线是来自外太空的带电高能次原子粒子。另外，太阳除了释放放射性热能之外，还会向外发射带电粒子流。这些射线或粒子流能够穿透生物的有机体，损伤 DNA 并引发癌症，对生物造成难以恢复的伤害。它们如果到达地面，就会对生于斯长于斯的地球生物造成致命的伤害，破坏生物的繁衍，进而导致生物有害变异或死亡。
（图片来源：根据PeterRei，2003）
地球的磁力线以能量波的形式从地心经过南极，行经数十万千米，进入太空，再由北极返回地球，最后回到地核内部。整个磁场就像一个巨大的防护罩，阻挡着各种粒子流和宇宙线对地球的辐射，这道无形的屏障时刻保护着地球，以及地球上的各种生物。然而在两极地区，磁力线是垂直进出的，磁场的屏障作用很弱，宇宙线有机会轻松地进入大气层。当带电粒子冲击大气时，会使空气发生离子化，形成等离子体（一种电子被剥离原子核的过热气体）。薄层的等离子体在空气中形成了漂亮的波动光线，这就是在极地地区常见的极光现象。
6000℃的地心“核动力工厂”
地球的磁场是如何产生的？这要从地球的结构说起。地球是由不同的层状结构组成的，最外面一层是地壳，它由相对较薄的岩层组成，厚度为30~100千米，海洋底部的地壳厚度相对较小。因此，前些年国际地球科学联合会曾提出过打穿地壳的计划，具体实施是在大洋上进行的。大陆上地壳厚度大，主要是因为这部分地壳还包含了陆地的厚度。从地球表面向下打钻是非常困难的工作，因为岩石越深，温度就越高，即所谓的地温梯度。通常情况下，每向下100米，温度要升高2~3℃，虽然升温缓慢，但却十分无情。以全球平均地温梯度每百米上升3℃计算，地下4000米处的温度超过了水的沸点，地下10千米处可达到普通打火机火焰的温度，而地心——虽然目前尚无精确数据，但地质学界普遍认为地心温度在6000℃以上。
1989年，苏联在位于北极圈内的科拉半岛钻探了当时世界上最深的、综合资料最详细的参数井。这口超深井抵达地面以下12262米处，接近了人类利用科学技术钻探的最大地壳深度。自21世纪以来，2008年卡塔尔的阿肖辛油井（12289米）和2011年俄罗斯在库页岛的油井（12345 米）已分别打破最大井深记录。其实人类在钻井方面的科学技术很难有大幅度的提高。这些超深钻井是目前人类钻探地壳的极限，但这个距离相对于地心或整个地球的厚度来说，仍然非常微小。
科学家通过地震波等方式探测地壳以下的结构。地壳以下是厚厚的地幔，它在地球内部的体积最大，厚度约3000千米，由似油状（有点像糖浆）的岩石构成。地幔以下是地球的中心，是体积和月球差不多大小的地核。地核又可分为两个部分，即液态的外核和固态的内核。地球的磁场可能产生在地球的最核心部位，那里是地球的“核动力工厂”，不断发生着剧烈的化学反应，所产生的能量用于驱动外核中数以兆吨计的液态铁与镍不断地循环流动。这些导电物质按照一定的规律运动，由于电磁感应而产生了地球的磁场。或许正是因为磁场源于地核中的液态金属球，所以地球的磁场并不稳定，总是发生着或大或小的变化。
（图片来源：作者提供）
我们知道，地球磁场的南北极和地理上的南北极并没有完全重合，它们之间的夹角被称为磁偏角。磁偏角随时间和地点的不同而有差异，这实际上是地球磁场变化的一种反映。300多年来，人类绘制的航海地图资料清晰地记录了磁偏角的变化情况，这些航海资料成为研究地球磁场变化的极好材料。据科学研究发现，地球的磁性正在明显变弱，自17世纪以来，地球磁场的强度减弱了约 15％。磁场力量减弱后，高空飞行的客机与轨道上的航天员就会暴露在较高剂量的太空辐射之下。
另外，科学家还从火山熔岩中发现了地球磁场变化的现象。火山喷发时会将火山熔岩带到地表，其中包括大量含有铁磁体（铁或镍的氧化物）的矿物。当铁磁体被加热到一定温度时，就会完全丧失磁性。例如，铁被加热至约760℃时会失去磁性，镍被加热至约356℃时也会失去磁性，这个相应的温度值就是所谓的居里点，它是由皮埃尔·居里于19世纪末发现的。高温的火山熔岩喷出地表（或海底）后开始冷却固化，其中的铁或镍在高温状态下没有磁性，而当温度低于居里点时，这些铁磁体矿物便在地球磁场的作用下重新获得磁性，冷却固化了的熔岩同时还记录了地球磁场的强度与方向。因此，每一股熔岩流都指示了火山喷发时地球磁场的状况。研究人员在识别火山岩中的磁性记录时发现，磁极在有的地质时期是倒转的，即与今天地球的南北极分布正好相反，甚至在漫长的地质历史时期，磁极的倒转还周期性地频繁发生。
类似的现象在海底也可以观察到，大洋中脊是板块不断增生的部分，在大洋中脊处，炙热的熔岩不断涌向地壳表层，将较老的熔岩对称地推向两侧。通过磁力仪可以发现，大洋中脊两侧对称分布着磁性相反的熔岩条带，这些条带记录了地质历史中频繁发生的磁极倒转现象，也论证了地质学中的重要理论，即海底扩张和板块构造理论。
大洋中脊两侧对称分布的磁性异常条带为海底扩张和板块构造理论提供了佐证（图片来源：本书插图）
今天的地球随时都面临着下一次的磁极倒转
利用火山熔岩的资料，科学家绘制了地球在地质时期磁极倒转的情况。在磁性地层图中用黑色表示和今天地球磁极一致的“正向磁性”，白色表示相反的“反向磁性”，即南北磁极与目前的情况完全颠倒。这些黑白线条构成了地球独特的“条形码”，形象地表示了磁极在地质历史时期中的频繁交替。
地球磁性地层图。通过火山岩识别出地球的条形码，体现了地球的磁极曾频繁倒转（图片来源：本书插图）
地球自形成以来，磁场曾经历过数千次的倒转，最近一次磁极倒转发生在约70万年以前。今天的地球随时都面临着下一次的磁极倒转，只是没有人知道会在什么时候发生。
磁极倒转时会发生什么现象？地球磁极倒转时，磁力圈会削弱或完全中断，宇宙线会不受任何拦阻，大量进入大气层；地球会随意地在各地产生多处极区，东西南北各个方向都有可能；到了夜晚，各处都可能会看到极光现象。对生物来说，宇宙线会破坏生物遗传，威胁生物多样性。另外，地质学研究还发现，近 250 万年以来，地球磁极的倒转往往伴随着某些单细胞生物（如有孔虫类）的灭绝，这可能并不是单纯的巧合现象。磁极的倒转是瞬间发生的，也许对于地球上的生命来说，这是一场巨大的浩劫。
逐渐变弱的地球磁场，是否会在下一次的磁极倒转中重新变得强大起来？答案或许是令人沮丧的。地球最中心是固态的内核，内核的体积会随着地球的逐渐冷却而增大，并逐渐将液态的外核凝固起来。实际上，地球自形成以来，自身的温度一直在降低，终有一天，地核会完全凝固成为固体，那时候，地球的磁场就消失了。没有了磁场的地球会变成怎样的？看看太阳系中我们的红色近邻——火星，或许对我们有一定的启示。
（图片来源：veer图库）
目前人类已经对火星进行了多次成功的探测，火星探测器具有磁力检测装置。科学家发现，火星地核并没有发射出任何磁场，但是却在火星地壳的某些区域检测到了强烈的磁性，这些磁性来自局部的火星岩石。这表明，在具有铁磁体的岩石形成时，火星是有磁场的。或许火星曾经和地球一样，拥有磁场和液态的核心，只是它的磁场消失了。据研究人员推测，火星的内核一定是在某个时刻发生了硬化，从此就再也不能产生磁场了。
火星现在的模样，或许昭示着地球的未来。我们今天赖以生存的磁性星球，在遥远的某一天也许会变得像现在的火星一样——荒凉且毫无生机。
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