地球磁场能够阻挡绝大部分宇宙射线，使得地球上的生物免受宇宙射线的侵害。目前普遍认为地球的主磁场是在地球的液态外核中通过磁流体发电机过程产生的，并且已经维持了至少有35亿年左右。在过去的地质历史时期，古地磁研究表明地磁场平均每几十万年会倒转一次，倒转的过程可能持续数千年。这期间，磁场整体强度将显著降低，其抵御宇宙辐射的能力会显著减弱。
地磁场倒转主要表现在地磁场整体强度的下降以及地磁场方向的快速变化，古地磁研究表明在公元前1000年左右Levantine区域磁场强度的年变化率达到了0.75-1.5μT，这显著快于当前在Holocene区域的0.12μT每年的最大变化率。而最大地磁场方向变化被意大利中部的沉积物所记录，达到了1o每年，是当前角方向变化率的十倍左右，和地磁场强度变化的差异类似。
地磁场整体强度及方向的快速变化与液态外核中动力学过程密切相关，但具体的相互关系和引起变化的物理机制仍不明确。仅仅依靠古地磁记录很难呈现全球尺度地磁场的极端快速变化，发生极端快速变化是否有显著的区域特征目前仍然不是很清楚。
最近，英国利兹大学地球与环境学院的Christopher Davies及其合作者在Nature Communications发表相关文章（Davies and Constable, 2020），他们利用最近发展的古地磁模型GGF100k以及地球发电机数值模拟分析了过去十万年来地磁场极性的稳定期、短时变化期以及倒转期。为了能够更好的对比古地磁的分析结果，作者同时考虑了局地（2o×2o的网格）磁场单位矢量
以及对应的等效偶极场单位矢量
，分别用这两个矢量在两个时间间隔的夹角来描述该位置的方向变化率（
，
）。每一次模拟得到的这两个变化率的最大值即为“极端事件”并标记为ex。
两个模型在模拟地磁场方向变化的幅值及纬度范围变化方面取得了惊人得一致性（图1），均发现最大方向变化率在地磁场强度下降期间能够达到10o每年（图2a），这几乎是当前最快变化率的100倍。同时，研究也发现极端方向变化事件主要发生在纬度小于40o的区域（图2b）。古地磁模型GGF100k中磁场方向变化率在全球以及不同纬度的对数正态概率密度分布（图3a）以及对应的累积分布函数（图3b）也证实高的磁场方向变化率主要发生在低纬度地区。
图1 地球发电机和GGF100k模拟地磁场方向快速变化。（a，d）雷诺数为Rm=386的非反转的地球发电机模拟；b、e.磁雷诺数Rm=450的一次反转地球发电机模拟。（c，f）古地磁模型GGF100k的模拟结果。左列分别展示了三次模拟结果的磁场方向变化率在地球表面的分布结果，红色的五角星代表了极端事件所在位置。右列展示了对应方向变化数据在20000年尺度内随时间的变化过程
图2 地球发电机和GGF100k模拟结果中的极端事件地磁场方向变化率的大小和位置随磁雷诺数的变化。磁场矢量和等效地磁极的位置分别由
和
表示。（a）模拟的极端事件方向变化率大小随磁雷诺数的变化。（b）极端事件对应的所在纬度随磁雷诺数的变化。实心的方块和空心的方块分别为地球发电机模型CALS10k.2和古地磁模型GGF100k的模拟结果
图3 极端地磁场方向变化事件的统计结果。（a）GGF100k模型再2o×2o经纬度网格内，100年的事件间隔磁场矢量的方向变化率的直方图。黑色线代表拟合的平均值μ=0.009，标准差σ=0.011的对数正态概率密度分布（PDF）。插图分别代表纬度为2.5o（红色），22.5o（绿色），42.5o（蓝色）的直方图分布，黑线代表拟合概率密度分布函数。（b）GGF100k模型计算得到的不同纬度下的累计分布函数。（c）GGF100k和地球发电机模拟得到两个不同纬度PDF的平均值的比值（由不同的下标表示）随磁雷诺数的变化。（d）和（c）类似但是展示的是标准差的比值
为什么会有以上展示的地磁场极端变化呢？这需要联系地球外核中的磁流体动力学过程。已有的研究表明，地球磁场的长期变化与核幔边界上反向磁通量块的区域密切相关（Reversed flux patch，该区域磁场方向与其所在半球背景磁场方向相反）（Olsen and Amit, 2006, Korte and Constable, 2011）。这些反向磁通量块中，最大的一块由南半球非洲南端下向西延伸至南美洲下方，该通量块方向是由外向内进入地核，而南半球的大部分磁通量是指向外的。
为了研究地磁场方向剧烈变化和核幔边界处反向磁通量块之间的联系，作者设计了一个简单的物理模型：核幔边界的径向场由孤立运动的磁通量块叠加在一个静态偶极磁场上，该偶极磁场由高斯球谐系数
所确定。磁通量块则由振幅为A，半宽度
的Fisher-von Mises分布函数所确定。磁通量块随着时间，沿着经度和纬度方向运动。典型极端事件演化过程的模拟结果显示，极端磁场方向变化事件的产生和向赤道方向运动的反向磁通量块密切相关（图4）。在其他条件完全相同的情况下，相比于正向磁通量块，反向磁通量块的运动能够产生更快的地磁场方向变化（图5）；极端方向变化事件主要发生在低磁倾角区域的主要原因是在这些区域，反向磁通量块的磁场分布和偶极场相互抵消，磁场方向的变化则主要由非偶极场成分控制。
图4 极端事件中虚拟地磁极、核幔边界以及地表径向磁场分量的演化过程。每一列代表了局地最大磁场方向变化周围（白色五角星）虚拟地磁极纬度、地表以及核幔边界的磁场垂直分量。每一行代表极端变化事件之前（左），过程中（中），和之后（右）。极端变化事件源于反极性的通量块从东北方向迁移运动到最大变化所在的位置
图5 核幔边界处移动的磁通量块产生磁场方向变化的过程。a.振幅A=10μT，初始纬度为60o向南移动到50o（左）然后再移动到40o（右）。从上到下每一列分别代表核幔边界处垂直磁场分量、地表磁场垂直分量、地表虚拟地磁极纬度以及等效偶极场方向变化率。五角星代表核幔边界磁通量块的中心。b，c 由正向磁通量块（A < 0, 用N表示）和反向磁通量块（A > 0，用R表示）移动所产生的最快磁场方向变化
的大小和位置
本文的地球发电机模拟不仅覆盖了广泛的物理参数，而且模拟了倒转和非倒转的发电机状态。尽管同其他发电机模型一样没有用能够真实描述地核状态的Ekman常数和Prandtl常数，模拟结果仍然能够很好的展现很长时间尺度的地球磁场的特征。极端地磁方向变化事件发生的地点和振幅与磁雷诺数无关，与此同时，模拟结果并不会因为改变模拟参数而发生改变，不同的Ekman和Prandtl能够得到类似的模拟结果。
文章的主要结论是地磁发电机模拟以及古地磁模型均显示历史地磁场方向变化率能够达到10o每年，这比局地古地磁数据估计的每年1o快得多，甚至是当前最快变化率的100倍，极端磁场方向变化来源于核幔边界处反向磁通量块的迁移，而由于反向磁通量块更容易发生在赤道区附近，这就解释了为何低纬度地区更容易发生快速的磁场方向变化，研究结果提醒研究者对地磁场方向变化的研究应该更关注低纬度地区，同时能够给未来古地磁数据的获取提供指导意义。
【致谢：感谢南方科技大学林玉峰副教授对本文提出的宝贵修改意见。】
主要参考文献
Korte M, Constable C. Improving geomagnetic field reconstructions for 0–3 ka[J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2011, 188(3-4): 247-259.（链接）
Davies C J, Constable C G. Rapid geomagnetic changes inferred from Earth observations and numerical simulations[J]. Nature Communications, 2020, 11(1): 1-10.（链接）
Olson P, Amit H. Changes in earth’s dipole[J]. Naturwissenschaften, 2006, 93(11): 519-542.（链接）
（撰稿：罗浩/地星室）
