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什么?古董也能记录地磁场?

编著:中科院地质地球所 蔡书慧     来源:https://mp.weixin.qq.com/s/LBYV1pRBBUIrX9Z0m-184w

地磁场与我们有哪些联系?

地磁场是地球的基本物理场之一,环绕在地球周围,无处不在。但和重力场、电场等物理场一样,地磁场看不见摸不着,很少引起公众的关注,甚至很多人都不知道它的存在。

▲地磁场形态示意图


但2019年1月发表在英国《自然》杂志?#31995;?#19968;篇题为“Earth’s magnetic field is acting up(地磁场在“耍脾气?#20445;?#30340;新闻报道让长期默默无闻的地磁场一时爆红,赚足了公众眼球。文章主要是讲从1980年开始,地磁北极移动速度加快,以每年大约55公里的速度从加?#20040;?#21521;西伯利亚移动,2001年进入北冰洋,2018年已越过国际日期变更线进入东半球,目前还在径直向西伯利亚运动。由于地磁北极移动过快,迫使地磁学?#20063;?#21462;罕见行动,不得不提前更新世界地磁模型,以确保出入北极圈附近的船只、飞机和潜艇导航无误。正常情况下,世界地磁模型每5年更新一次,现有模型原计划到2020年才需要更新。

▲地磁北极的移动(Witze, 2019)

不只是现代导航系统依赖地磁场定向,很多动物也靠地磁场导航,如鸟类、乌龟等这些动物的迁徙,甚至包括觅食都受地磁场影响。科学家已经发现很多物种都有磁感应能力,被称作生物“第六感”。加州理工学院研究团队2019年3月发表在eNeuro?#31995;?#26368;新研究成果首次证明人类也有这种“第六感”。

▲蝙蝠出洞觅食

除了“向导?#20445;?#22320;磁场在我们的日常生活中还充当“保护伞”的角色。地磁场产生的磁力线环绕在地球周围,可以阻止大量来自宇宙的高能粒子和有害射线进入地球,对地球起到保护作用。都说上天不易,入地更难,随着科学?#38469;?#30340;发展,“上天”已经不成问题,但“入地”仍是?#24418;?#25915;克的科学难题,虽然现在有各种钻探计划,但目前能达到的深?#28982;?#26159;很有限。

这导致地球科学家想了解地球内部的结构状态是非常困难的,而地磁场由于起源于地球内部,携带了地球深部的信息,成为认识地球内部的窗口之一。

▲地磁场保护地球免受宇宙射线的干扰

地磁场是由液态金属外核的流动产生的,是一个动态过程,运动状态在变,地磁场方向和强度也在变,术语叫地磁场的长期变化。逐渐的细微的变化我们感觉不到,也不会对我们的生活环境造?#19978;?#33879;的影响,但如果变化过大过快,可能就会产生一些影响,?#28909;?#36825;篇新闻里提到的影响导航系?#22330;?/span>


另外如果地磁场过弱,保护地球的能力大大降低,大量高能带电粒子进入地球也可能会干扰我们的无线电通讯,同时对一些依赖地磁场导航的动物也会产生影响。由此可知,地磁场虽然看不见摸不着,但却与我们的关系非常密切。


2古董是如何记录地磁场的?


地磁场跟我们关系如此密切,我们希望能够对地磁场有更多的了解,包括它现在的状态和过去的情况,就像我们想全面了解一个人,知道他的过去和现在,才能更好地?#36816;?#30340;将来做出判断一样。

地磁场现今的形态特征和变化规律可以通过直接观测数据来认识,包括早期的航海磁测、后来的地磁台站观测和现在的卫星观测等,所有的观测数据加起来有近400年的观测历史。更老时期(千年,万年,百万年……)的地磁场信息需要通过考古材?#24076;?#20063;就是我们说的古董),沉积物、火山岩等介质获得。

利用古董研究地磁场的学科叫考古磁学。考古磁学是社会科学和自然科学结合起来形成的一门交叉学科,其主要研究任务是追溯历史时期和史前时期的地磁场强度及方向的变化特征,在时间上往回延拓地磁场的历史记录,为正确揭示地磁场的基本性质及其复杂的时空变化规律提供基础资料。考古磁学主要是对考古地点发掘的一些古遗存(烘烤过的砖、瓦、瓷器、陶器、烧土等)进行磁学方面的研究,是研究地磁场全新世高?#30452;媛示?#32454;变化的有效途径。

这里注意,我们提到的可以记录地磁场的古董都有两个共同的特点:一是一般由粘?#37327;?#29289;制成,必须含有磁性颗粒;二是都曾经过高温烘烤,也就是说只有满足这两个条件的古董才能记录地磁场信息。

部分用于考古磁学研究的古董照片

那么为什么这些古董可以记录地磁场呢?我们可以通过下图来形象具体地理解:粘土中通常含有磁铁矿(Fe3O4)、赤铁矿(Fe2O3)等铁的氧化物,当考古材料被烧制或烘烤的过程中,温度达到这些磁性矿物颗粒(用图中蓝色箭头表示)居里温度以上时,磁性颗粒呈无序排列,随意跳动,而在冷却的过程中,温度低于居里温度时,磁性颗粒会沿着外加场(图中的B)的方向排列,这个外加场通常就是当时的地磁场。这样受热冷却后的古董便把当时地磁场的方向和强度信息保存了下来,像录音机的磁带,又像DVD光盘。这些古董如果经过最后一次高温后一直待在原地未被移动过,像窑壁砖等,方向和强度信息都可以保存,如果被移动过,像陶瓷器等,方向信息就丢失?#32781;?#21482;有强度信息保存下来。在实验室对这些古董进行一系列的实验测试便可以计算出当时地磁场的信息。

▲考古材料记录地磁场信息原理示意图


古董都告诉了我们哪些关于地磁场的信息?

考古磁学研究最早开始于法国(Folgerhaiter 1899), 随后?#20998;?#20854;他地区也相继开展工作。?#20998;?#22320;区的考古磁学研究基本未曾中?#24076;?#19968;直?#20013;?#21040;现在。经过近一个世纪的积累,?#20998;?#22320;区获得了大?#38752;?#38752;考古强度和方向数据,成为目前全球研究程度最高的地区。全球其他地区也?#21483;?#26377;研究,包括东亚(我国、日本、韩国)、中东(叙利亚、塞?#33268;?#26031;、约旦、以色列等)、非洲、中美洲和南美洲等。经过近些年?#20013;?#21644;广泛的考古磁学研究,我们对地磁场全新世变化规律的认?#24230;?#24471;很大进展。

全球范围内建立了多条地磁场区域变化参?#35760;?#32447;和多个地磁场全球模型,这些地磁场区域变化参?#35760;?#32447;不仅可用于地磁场区域对比,而且可以作为参考标尺用于当地考古定年,全球模型可用于认识地磁场全球分布特征及其变化规律,并可预测全球某一时间?#25105;?#22320;点地磁场变化趋势。

▲全球不同地区地磁场区域变化参考模型(Kapper et al., 2017)


▲全球模型CALS10k.2预测的1000BCE地表地磁场强度、偏角和倾角分布

通过考古磁学研究还发?#33267;?#22320;磁场许多不寻常的变化特征。例如,研究发现,中东地区~1000-700BCE之间地磁场强度存在“脉冲?#20445;╯pike)现象(Ben-Yosef et al., 2009; Shaar et al., 2016),地磁场在短短几十年的时间范围内,强度迅速升高又快速下降的一个过程,最高值达到100多微特,是现代地磁场强度的两倍多。我国考古磁学研究结果也显示地磁场强度在~2200-1300BCE有一个快速升高的过程中,最低值只有现代地磁场的三分之一,而最高值达到现代场的1.5倍(Cai et al., 2017)。研究发现地磁场还存在许多快速的跳动(jerk),包括方向和强度(Gallet et al., 2003; Mandea et al., 2010)。

总之,这些来自古董的记录告诉我们,地磁场过去几千年来变化并不平稳,而是存在很大波动。参考地磁场过去几千年的变化规律,再对比现今地磁场变化趋势可以推测,目前观测到的地磁场强度?#20013;?#19979;降或者地磁北极快速移动等或许只是地磁场正常的周期波动。

▲东亚近七千年地磁场强度变化(修改自Cai et al., 2017)

因?#32781;?#24403;我们再看到手中的碗或者脚下的砖时,应该知道它们的作用不仅仅是装食物或者建高楼,它们还有非常重要的科学研究价值。

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