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利用電腦模擬的地球發電機，其磁力線顯示出，地球磁場在地核外的部份比在地核內部單純得多（地核內遍佈糾結的線條）。磁場主要由南極附近穿出地表（黃色長線），而在北極附近進入地表（藍色長線）。
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大部份的人都認為，磁針會指向北方是理所當然的。數千年來，水手靠著地球的磁場來導航；而鳥類和其他能感應磁場的動物，則已經運用這個方法有更長一段時間了。然而奇怪的是，地球的磁極並不是一直都朝著現在所指的方向。
有些礦物可以記錄地球磁場的方向；根據它們的記錄所顯示，在地球45億年的歷史中，地磁的方向已經反覆南北倒轉了好幾百次。不過，在最近的78萬年內都未曾發生過倒轉──這比之前發生倒轉的平均間隔時間25萬年要長了許多。此外，地球的主要磁場自1830年首次測量至今，已經減弱了將近10％。這個速率相當於在失去能量來源的情況下，磁場自然消退速率的20倍。難道是，下一次的地磁反轉即將來臨？
地球物理學家很早就知道，地球磁場變化的原因深藏於地球中心。地球就如同太陽系裡的一些其他天體，是利用內部的發電機來產生磁場。基本上，地球發電生磁的機制就和普通發電機一樣，藉由某個部份運動的動能，產生電流和磁場。在一般的發電機裡，運動的部份是旋轉的線圈；而在行星或恆星裡，運動的則是導電的流體。在地球核心，有著體積相當於六個月球、處於熔融狀態的鐵，形成不斷環繞流動的汪洋，構成了所謂的地球發電機（geodynamo）。
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地球內部清楚的分成幾個層次，包括液態的外核──該處的亂流對流形成了複雜的循環結構，進而產生地球磁場。
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一直以來，科學家主要是靠著簡單的理論來解釋地球發電機和其神秘的磁力。但最近10年，研究人員發展出新的方法來探索地球發電機的詳細運作機制。人造衛星能清楚拍攝地表磁場的圖像；而利用超級電腦來模擬地球發電機，以及在實驗室裡建立的物理模型，則解釋了軌道上的觀測結果。這些工作，對於過去的磁極反轉提出了一套很有意思的解釋，更對下一次的反轉事件將如何展開，提供了新的線索。
驅動地球發電機
在我們開始探索磁場如何反轉之前，必須先了解，是什麼力量驅動著地球發電機。在1940年代前，物理學家便已明白，行星要能產生磁場，必須滿足三項基本條件；之後的發現都是建構在這個基礎上。第一要件，要有大量的導電流體──地球的外核為液態，且富含鐵質。這關鍵性的外核包覆著幾乎是由純鐵所組成的固態內核，深埋在厚重的地函與極薄的大陸、海洋地殼之下，距離地表的深度約2900公里。地殼和地函的重量，使地核內的平均壓力高達地表壓力的200萬倍。此外，地核的溫度也十分極端──約為5000℃，相當於太陽表面的溫度。
這些極端的環境條件，構成了行星發電機的第二要件：流體運動的能量來源。驅動地球發電機的能量，部份是熱能，部份是化學能──兩者都在地球核心深處造成浮力。就像一鍋在爐上燒著的湯一樣，地核底部比頂部熱。（地核的高溫來自地球形成時囚禁在中心的熱能。）因此地核底部那些較熱、密度較低的鐵會上升，就像熱湯裡的大氣泡那樣。當這些液體到達地核頂端，碰到上方的地函時，會喪失部份的熱。於是液態鐵會冷卻、密度變得比周圍環境高，因而下沉。這個透過流體的上升及下沉，將熱能由下往上傳送的過程，稱為熱對流。
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流體在熔融的外核裡上升，將地核裡原本大致呈水平方向的磁力線向上推擠。這種對流的湧升，有時會使磁力線彎曲凸起。同時，地球的自轉驅使熔融的流體以螺旋形流動循環，將凸出的磁力線扭成小圈。如果湧升流的強度足以將小圈推出地核，便會在地核–地函交界面上，形成一對磁通量斑塊。
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現任職於美國加州大學洛杉磯分校的布拉金斯基（Stanislav Braginsky）曾於1960年代時指出，熱由地核的上部逃逸，同時也會使固態內核的體積增加，產生兩種額外的浮力來源，驅動對流：當液態鐵在固態內核的外緣凝固而形成晶體時，會釋放潛熱。這些熱可以加強熱浮力。此外，如硫化鐵和氧化鐵等密度較低的化合物被內核的晶體排出，上升通過外核，也會加強對流。
行星要產生能自我維持的磁場，還有第三個條件：旋轉。地球自轉造成科氏力效應，會使地核內上升的流體偏向，就像造成洋流及熱帶風暴被扭轉成在氣象衛星影像中常見的漩渦狀那樣。在地核中，科氏力使湧升的流體沿著像開酒瓶器的螺旋路線上升，彷彿順著彈簧的螺旋線圈移動。
地球擁有富含鐵的液態核心、有足夠的能量驅動對流，並具有科氏力可使對流的流體扭轉，這些是地球發電機之所以能自我維持數十億年的主要原因。但科學家需要更多證據來解釋令人困惑的問題，像是磁場的生成，以及為什麼磁極會隨時間而改變等。
磁場分佈圖
過去五年裡，由於科學家終於能夠比對相隔20年所觀測到地球磁場的準確分佈，因而有了重大發現。1980年，磁場衛星（Magsat）測量了地球表面上的磁場；另一枚衛星厄斯特 （Oersted）則是在1999年起進行同樣的測量。假設地函的電流可以忽略，研究者可利用衛星觀測到的結果，以數學方法推算出磁場在地核頂部的分佈。地核內具有更為劇烈、複雜的磁場，而且也是磁場變動的真正發源處，但是研究人員可推算的極限是在地核–地函交界處；因為地核內的電流極強，因此無法直接測量內部的磁場。儘管在此既有限制之下，研究人員仍然得到了許多重要的觀測結果，包括關於磁極可能開始反轉的線索。
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圖中顯示大部份的磁通量是由南半球向外穿出地核，而在北半球向內進入地核。但在少數特殊區域，情況卻正好相反。這些所謂的反向通量斑塊在1980~2000年之間增生、擴張；如果它們擴展到涵蓋兩極，可能會發生磁極反轉。
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重要的發現之一，是地球的大部份磁場僅來自地核–地函交界面上的四個廣大區域。雖然地球發電機所產生的磁場非常強烈，但是磁場的能量只有約1％可以延伸到地核外。在地表進行測量時，這個磁場最顯著的結構是偶極，多數時候與地球自轉軸大致平行。地磁就如同一根普通的磁鐵棒，而這個磁場的主要磁通量是在南半球由地核向上穿出，並在北半球向內進入地核。（指北針的磁針之所以會指向地球的地理北極，就是因為上述偶極的磁南極正好在那附近。）但人造衛星顯示，磁通量並非是均勻遍佈全球的。偶極磁場的強度大部份是來自北美洲、西伯利亞和南極洲沿海地表下方。
任職於德國卡特倫堡–林島的馬克士普朗克太陽系研究所的克里斯坦森（Ulrich R. Christensen），推測這些大區塊是來自地核內部持續變化的對流結構，而且在幾千年間不斷改變。有沒有可能，類似的現象是造成磁偶極反轉的原因？由地質記錄得到的證據顯示，過去的反轉事件週期相當短，約4000~10000年。就算地球發電機停止運作，磁偶極也得要將近10萬年才會自行消失。因此，這麼快速的變化，暗示了有某種不穩定性破壞了原來的極性，同時產生新的極性。
對個別的反轉事件而言，這神秘的不穩定性可能是流場結構的某種混沌變化，只能偶爾成功的逆轉磁偶極。但發生反轉的頻率在過去1億2000萬年間穩定增加，可能是有外在的控制因素。其中一個可能，是地函底部的溫度變化能迫使地核改變其內部上升流動的結構。
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在過去1億5000萬年間，地球的磁極以不同頻率反轉了數百次。科學家經由研究磁性礦物而發現這些反轉事件。當岩石受熱，其中的磁性礦物會順應地球磁場而排列，因此礦物能保存岩石冷卻時的地磁方向。
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其他研究團隊分析了磁場衛星和厄斯特衛星觀測的分佈圖，發現可能引發磁極反轉的變動跡象。余洛（Gauthier Hulot）和他在法國巴黎地球物理研究院的同事注意到，地球磁場的持續變異，是來自地核–地函交界面上某些磁通量方向與整個半球相反的區域。這些所謂的反向通量斑塊（reversed flux patch）中，最大的一塊由非洲南端下向西延伸至南美洲南端下方。在這個斑塊裡，磁通量向內進入地核，然而南半球大部份磁通量是指向外的。
斑塊的產生
研究人員比較了最近由厄斯特衛星觀測到的磁場以及1980年的觀測結果。所得到最重要的結論之一，是新的斑塊持續在北美東岸及南極等地區下的地核–地函交界處形成。更重要的是，較老的斑塊面積擴大了且略向兩極方向靠近。1980年代晚期，英國里茲大學的加賓斯（David Gubbins）研究較老舊、粗略的磁場圖，發現反向通量斑塊的增加、擴張和往兩極移動，可解釋磁偶極隨時間減弱的情形。
這些觀測結果可以利用磁力線的概念解釋（實際上，磁場在空間中是連續的）。我們可以想像，這些磁力線「凍結」在液態鐵核中而隨之運動，就像是在水杯中的顏料線條被攪動時的樣子。在地核中由於科氏力效應，流體中的渦流將磁力線扭結成團，看起來就像一團團的義大利麵條。這樣的糾結把更多的磁力線壓縮在地核內，因而增加了磁場的能量。（如果這個過程不受抑制的話，磁場會無限制的增強。但是電阻會減弱、緩和磁力線的扭轉，適當阻止了磁場無限制的增強，但又不會破壞地球發電機的運作。）
具有強大磁通量的斑塊，不論方向是正是反，都是渦旋與地核內部的東–西向環狀磁場交互作用時，在地核–地函交界面上所形成。這些亂流般的流體運動可以把環狀的磁力線彎曲、扭轉成小圈，形成極向磁場（poloidal field），方向為南–北指向。有時這種扭曲是由湧升流裡上升的流體造成的。如果湧升流夠強，極向磁場環圈的頂端會被排出到地核之外。這樣的過程會使小圈的兩端穿過地核–地函交界處，產生一對通量斑塊。斑塊之一具有正常方向的磁通量（與該半球整體的偶極方向相同）；另一個斑塊的通量方向則是相反的。
如果扭曲所造成的反向通量斑塊，比正常通量的斑塊更靠近地理極點，則會使磁偶極減弱，因為磁偶極對於在極點附近的變化最敏感。這確實說明了目前位在非洲南端下的反向通量斑塊。如果整個行星的磁極要真的反轉，反向通量斑塊需擴大到涵蓋整個極區；同時，另一個地理極點附近也會發生類似的區域極性全面變化。
利用超級電腦模擬
為了進一步深究反向通量斑塊如何發展，以及它們如何預示下一次的磁極反轉，研究人員在超級電腦上和實驗室內模擬地球發電機。現代地球發電機的電腦模擬始於1995年，有三個研究團隊：日本東京大學的陰山（Akira Kageyama）及其同事、美國加州大學洛杉磯分校的羅伯茲（Paul h. Roberts）與格拉茲麥爾（作者之一），以及英國艾克斯特大學的瓊斯（Christopher A. Jones）及同事，這些團隊各自發展數值模擬，能夠產生類似在地表觀測到的磁場。自此之後，針對長達數十萬年的模擬運算，結果顯示對流確實能造成地核–地函交界面上的反向通量斑塊，就像在人造衛星圖像上見到的一般。這些斑塊往往在磁偶極的自發性反轉前出現，而有些模擬也能產生磁偶極反轉的現象。
【本文轉載自《科學人雜誌》2005年5月號】
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