地球磁场可以保护我们免受太阳辐射的危害。现在地球磁场越来越不稳定。南北磁极会变吗？
为什么磁场切换越来越频繁
当磁极反转发生时，地球磁场会大大减弱甚至消失一段时间。目前还不太清楚接下来会发生什么，但科学家推测，这可能会极大地影响电网和通信系统的正常运行。
地心活动和磁场转换
地球的内部中心是一个难以想象的地方。在离地面5000多公里的富铁核心，超高温堪比太阳表面的温度，巨大的压力相当于20头蓝鲸作用在一枚邮票上的重量。
正是地球心脏的这种极端环境产生了地球磁场，正是覆盖整个地球表面的地磁力，才使得我们的星球孕育出丰富多样的生命形式成为可能。当太阳带电粒子偶尔造访地球时，地球磁场可以迫使它们改变方向，从而避免地球被猛烈的太阳带电粒子轰击的厄运。没有这个强磁场的防线，当太阳风暴来临时，地球上所有的生命形式都会枯竭，地球大气层也会逐渐消失。
几十年来，科学家们一直试图探索地球磁场和磁性的秘密。有一个普遍接受的共识，即在地球中心之外流动的铁水的导热性会产生磁场。然而，近年来科学家在研究地球磁场方面有了更多的新发现。有科学家指出，地核中流动的铁水导热系数比以前认为的要强，这意味着即使早期地球存在磁场，磁力也很弱，但令人不解的是，古代岩石上磁极变化的记录表明，强大的磁场保护了地球数十亿年。
地核中的热传导和对流
这到底是怎么回事？2015年1月，超级计算机模拟提供了一个可能的答案。在极端温度和压力环境下，电子围绕铁原子运动的计算机模拟表明，早期地核中铁的热导率非常低，足以产生强大的磁场。当时，研究人员认为核心之谜可能已经解开。但在此之后，研究人员模拟了地球中心的极端环境，这让人们开始怀疑地球中心之谜是否能这么容易解开，尽管它更接近真正的答案。
我们知道，热对流就像平时烧开的水。首先，下面的水被加热，然后上升，而上面的冷水会下降并被加热。热对流一般发生在气体和液体中。加热的气体或液体会随着热量上升，而冷却的气体或液体会下沉。受热后会继续上升，上升时会失去热量，然后下降。这个重复的循环就是对流。热传导发生在固体中，重要的是两个固体应该接触，然后热量将通过两个物体分子的接触从高热物体传递到低热物体，直到它们的温度相等。
地核中的地核就像一个巨大的热机。宇宙中恒星和物质碰撞后留下的能量为其提供了大量的“燃料”。随着地球逐渐变冷，地核逐渐凝固，但外层的原始能量仍在凝固的地核周围运动。有些热能是通过热传导在原子之间传导的，但当热能超过内部热传导的极限时，较热的部分会像热气球里的热空气体一样上升，较冷的部分会下沉，形成热对流。随着对流开始形成，核心物质将开始移动。
热对流使外芯熔化的铁水像漩涡一样旋转，不断旋转的热液体起着巨大发电机的作用，维持和加强原有磁场。如果更多的热量通过热传导而不是热对流传递，“发电机”的运动就会减弱，磁场也会减弱。
五年前，科学家认为地球外核铁液的大部分热量是通过热对流传递的；但在2012年，多个研究小组发现并提出，更多的热量通过热传导在地核内传递，地核内热对流相对较弱。如果是这样，是否意味着地球磁场会陷入困境？
美国华盛顿卡内基科学研究所的地球物理学家彼得·德里斯科尔说:“这是一个令人震惊的结论。”人们开始质疑热对流驱动强大地球磁场的理论。
地球磁场活动的实验和理论
发现驱动现代地球核心运动的不仅仅是热对流。在地球早期的冷却过程中，核心的铁开始由内而外凝固，这个过程还在继续。目前，固体核的向外增长率高达每秒6000吨。较轻的元素，如氧和硫，混合在凝固的铁中，挤压到外核中，向外的推力使外核剧烈搅动，从而维持地磁“发电机”的持续运转。到目前为止，地核固化的部分只占4%，仍然有大量的能量维持磁场运行数十亿年。
我们不需要担心地球磁场的未来，但地球磁场的过去仍然是个谜。2012年对地核热导率的估算显示，地核在过去10亿年才开始固化。在此之前，核心中缓慢的热对流只能产生微弱的磁场。
然而，岩石记录显示的似乎与我们推断的不同。2017年7月，纽约罗切斯特大学的地球物理学家约翰·塔杜诺和他的同事在《科学》杂志上发表了一篇文章，展示了最古老的地球磁场记录的证据。通过测量古代晶体中嵌入的磁性杂质，研究人员证明，42亿年至33亿年前地球上形成了一个相对较强的磁场，其变化范围相当于目前地球磁场的12% ~ 100%左右。
此后地球磁场早期变化的历史同样令人费解。地球物理学家推测，当较轻的物质离开核心，以新的方式“搅动”这个巨大的磁引擎时，磁场强度会突然增加，“为磁场提供了新的动力。”约翰·霍普金斯大学地球物理学家彼得·奥尔森在2013年发表在《科学》杂志上的一篇论文中，将这种难以捉摸的现象称为“新核心悖论”，即地球磁场的主流理论无法与地磁变化历史留下的记录相一致。
然而，导致这一悖论的观点并不是最终结论。地球中心的温度可以达到6000℃，压力是海平面大气压的300多万倍。人们无法真正访问地心，也没有办法直接测量和收集数据。目前，科学家无法在实验室中精确模拟地球中心的极端环境，测量精确的热导率。事实上，科学家在实验室进行模拟实验的温度通常低于1700℃。目前，我们只能根据不满意的模拟条件来推断心脏正在发生什么。
因此，这种推断可能会产生模棱两可的结果，因为它假设实验温度和地球中心实际温度之间的差异不会明显改变地球中心熔岩的行为，但这只是一种可能的假设。2015年早些时候，研究人员提出，对热导率的高估可能是由于忽略了实验条件下相对较低的温度与地核中实际恶劣的温度环境之间的差异所导致的某种东西，而这种被忽略的东西可能是解决新地心悖论的关键。
要了解铁水的热导率，需要深入了解电子是如何绕铁原子旋转的。在像铁这样的金属中，电荷和热能通过自由移动的电子传递，铁的导电性和传热性能取决于这些电子的传输能力。
在地球表面温度和压力条件下，电子运动的阻力被认为来自铁原子本身。电子与振动的铁原子碰撞，限制了电能和热能的传递。然而，铁熔岩在核心的行为是非常不同的。铁熔体在堆芯的挤压力是正常密度的1.6倍，大量的热能大大提高了电子运动的速度。
磁场是地球的强大保护者
2017年7月，研究人员对古岩石进行了分析，结果显示，强磁场至少保护了地球42亿年，在地球历史上，磁场一直是地球强大的保护者。
美国卡内基科学研究所的地球物理学家罗纳德·科恩和他的同事模拟了铁在地核中的行为。他们没有试图在实验室里复制地核的极端条件，而是通过数字模拟精确跟踪每个电子的活动。
科恩团队的模拟从地球中心温度和压力条件下的数百个铁原子开始。计算机程序对每个铁原子和电子施加压力，推动每个粒子一点一点地向前运动，并一遍又一遍地重复这个过程，直到通过这些“快照”产生电子运动的视频。模拟大量粒子的活动，计算它们之间错综复杂的关系，是一项非常费时费力的任务。即使通过超级计算机，也无法获得精确的热导率。研究人员只能通过一次又一次的重复实验来降低铁热导率计算的不确定性。
当达到之前的实验室温度时，Cohen团队的计算机模拟结果与之前1700℃温度下预测的铁的热导率一致。当温度超过这个温度时，一个之前完全被忽略的相互作用开始出现。他们发现，除了铁原子振动时的电子散射之外，热能激发的电子也更频繁地运动，并开始相互碰撞。在地心环境下，这种电子之间的碰撞和电子与铁原子之间的碰撞一样重要，实际上导致电阻增加了一倍，使得热导率下降到2012年估计的一半左右。
这种较低导热系数的新估计能否帮助解决近年来令人困惑的矛盾和问题？许多地球物理学家对此持谨慎乐观的态度。无论如何，新的热导率估计仍然只是一个理论，需要实验结果来证实电子在更高温度下的碰撞活动。但到目前为止，这仍然是一种很难在实践中进行的实验。
德里斯科尔提出，地核的新悖论并非牢不可破，从地核内部流出的大量热流足以产生对流维持磁场。他认为额外的热量可能来自放射性元素的衰变。据研究人员称，地核可能含有大量放射性铀和钍。根据德里斯科尔的计算，现代地核中相对少量的放射性物质足以转化为古代磁场的巨大驱动力。如果今天只有少量的放射性物质向地核提供热量，那就意味着几十亿年前，地核中有大量的放射性原子驱动着热量的传递。
科学家们仍在探索和辩论地球表面下几千米的地核发生了什么。这是一个值得探索的问题，启发人们去探索地核和磁场的真相。
