指南针会指北吗？

在地球的历史进程中，磁场几次三番地颠倒方向。磁北极有时接近地理上的北极，有时则靠近地理上的南极。下一次方向颠倒是什么时候呢？
【法国《科学与生活》月刊文章】题：如果地球失去了磁北极
再过几千年，指南针可能会指向北。78万年前就是这样，当然如果那时有指南仪器的话。在地球的历史进程中，磁场几次三番地颠倒方向。磁北极有时接近地理上的北极（现在的情况就是如此），有时则靠近地理上的南极。下一次方向颠倒是什么时候呢？没人知道。然而，20年来磁场的变化却能预示下一次。巴黎地球物理研究院的地理学家们通过卫星得来的数据进行了这项研究。近一个世纪前，爱因斯坦认为地球磁场是物理学的主要问题之一。自那以后，科学家们解决了物理学的大部分问题，但磁场依然十分复杂，难以理解和模型化。磁场方向的颠倒也一直是一个难解的谜。
地磁场模型
我们今天知道而爱因斯坦时代所不知道的是，磁场是地球中心液体铁质流围绕着地核中心旋转产生的。同月亮大小相仿的地核是由围绕着一个坚硬的铁质中心旋转的熔化状态的铁构成。就是这种移动中的金属流体产生了地球的电磁场。
近几年来，有一些模型可以同时模拟金属流的移动和这些移动造成的电磁场。第一个较“全面”的模型是1995年加利福尼亚大学的格拉茨迈尔和罗伯茨研制的。这个模型应用了流体动力学、热力学、电磁学的原理，考虑了重力、地球旋转和铁的特性。它再现了铁质流体的移动、产生的电磁场以及后者对前者的反作用。
然而，这个模型及后来的改进模型离现实较远：同地核中的铁质流相比，这些模型使用的液体流太粘稠且传导性差。原因很简单：目前的模型难以适时地对更贴近现实的流体进行分析处理，因为所需要的计算远远超过了目前计算机的能力。
尽管还不完善，这些模型也模拟出了很近似于现实中测量到的磁场：一个近于两极化的磁场（南北两个极）。这有点类似于将一个大磁棒放在地球中心，而方向则是顺着地球的自转轴。但如果更近一点观察，就会发现有10%的磁场不具有两极性：在有些地方，磁场较强或较弱，方向也不规律。
磁场方向颠倒
地球磁场的另一个特别之处是方向的颠倒，北磁极会从地理北极移向地理南极，反之亦然。对磁石的分析能很清楚地表明地球过去磁场方向的颠倒性，而且通过这些分析可以建立一个时间表。平均10—20万年地球磁场方向颠倒一次，但是这种颠倒通常不太规律，如在白垩纪的3500万年间就没有发生方向的颠倒。这是为什么呢？人们最近发现，磁场方向的颠倒并不是由两极的移动造成的（就好像磁棒在地球内部掉了个头）；相反，两极化的部分在逐渐消失，磁场变得更为复杂，并表现出某种多极化特点。2000—3000年后磁场的两极化再次出现时，方向已经掉转了。因此，伴随着磁场方向的改变同时出现的是磁场强度的弱化，随后磁场强度迅速增强，而另一个方向上的两极化再次出现。
尽管模型偶尔再现了磁场方向的颠倒，但人们还远未理解产生这种颠倒的机理。卫星可能会使我们对此的了解更多一些。从80年代起，通过一些卫星携带的仪器，人们对整个地球进行了磁场强度和方向的测量，这些测量使人们可以知晓分辨能力为100公里的磁场的所有细节。科学家们可以对磁场有一个更好的认识，这比靠在地球上偶尔测量得来的认识全面得多。
科学家们将1979年—1980年的美国卫星和2000年的丹麦卫星测得的数据进行了比较。他们首先计算了1980年—2000年之间磁场的变化。从这些变化出发，他们推断出了流体在地球中心的运动。科学家戈蒂埃·于洛评论说：“这很像是我们终于有机会看到地球的心脏是怎样跳动的一样。”此前，他们原本还应使磁场恢复本来面目，因为从空间观测的磁场与液体地核部分创造的磁场并非完全相同，地壳表面的磁石会形成地表磁场。但是这个“干扰”部分在数学上可以被忽略，因为它的规模很小。
变化的地理差异
结果：1980年—2000年磁场的状况表现出令人吃惊的地理差异。磁场在包括非洲、欧洲和大西洋的半球变化非常大，而在另外的半球———太平洋半球却完全相反。太平洋半球曾经是磁场最强也最接近两极化结构的地区。1980年—2000年之间变化最大的地区是非洲南端。在这个地区磁场（在地核表面测得）与正常的极性刚好相反。
在铁质流的运动中也可以发现这种奇怪的不对称性。铁质流的运动主要分两种以地球自转轴为中心的旋转，一种是顺着地球自转方向，另一种方向刚好相反。逆地球自转方向的旋转主要是在非洲半球；另一种则是在太平洋半球。这是很协调的，因为研究人员的计算证明顺向旋转与磁场的增强有关，而影响磁场减弱的则是逆向旋转。
总之，磁场在强度较弱的地方变化较大，也就是在非洲半球。在磁场强度较强的太平洋半球，也就是顺向旋转的地方磁场变化较小。这种不对称性是模型没有考虑到的：模型制造出的旋转有时顺地球自转方向运动，有时逆向运动。因此，当人们通过模型看到磁场在某个半球减弱时，现场测得的结果可能刚好相反。
地球的磁场2000年来一直在减弱，近50年来速度越来越快。考古（陶器和瓷器）方面的历史记录和分析证明了这一点。模型显示，这种磁场总体上的减弱可能是某些地点磁场减弱导致的。戈蒂埃·于洛说：“最近150年，大西洋半球磁场的弱化‘点’足以使磁场整体上体现为弱化。”但是模型也显示，随着这些“点”的不断扩大，磁场的两极性有可能完全消失并开始向另一个两极化发展。
我们现在处于另一个地球磁场两极方向颠倒的开端吗？确实如此，磁场弱化得非常快：如果按这种速度弱化下去，在1000年至2000年内地球的磁北极可能会消失。但是，现在找不到太多的证据证明这种推论：观察一下过去磁场的变化就可以发现，磁场强度减弱得比较慢，而且不是突然性的。也许，我们正处在一种“偏离”中———一种两极性逐渐减弱而归于同极性。或者，这只是磁场变动中的一个过程？现在还很难对地球的“心脏”今后如何跳动做出具体预测，毕竟我们才只看见它的几次跳动……