地磁極化變換 - 地球科學討論

※ 引述《reduni (RED)》之銘言：
※ 引述《zoooe (羅羅羅伊)》之銘言：
: 最近看了大滅絕一書
: 裡頭有提到地磁極化變換的情形
: 因為地磁極化變換造成了地面上如恐龍大型動物的大滅絕
: 因為我是第一次聽到＂地磁極化變換＂這個名詞
: 所以有點不是很了解
: 請問所謂地磁極化變換是否就是整個南北顛倒
: 那對人類是否有影響（因為人類似乎不太需要遷徙）
: 地磁極化變換後太陽使否就從西邊升起？
: 請給我指教,謝謝。
-先說好 以下是聽說的芭樂
那我幫忙再補一些芭樂好了~

-地球曾經歷經數百次的地磁倒轉 倒轉的痕跡留在海底岩層及礦物生成上
因為海底、陸地上的岩層中包含了磁性礦物。
純鐵不是磁性礦物，因為它是順磁性的。鐵的氧化物中才些是屬於磁性礦物。
順磁性(paramagnetic)物質的特性是，物質被磁化的強度與外界給它的磁場強度成正比
，也就是說，當磁場改變、消失時，順磁性物質的磁化量、磁化方向也跟著改變、消失
。這樣子就沒辦法紀錄先前地磁場的狀況了。
而磁性物質的特性是會留有殘磁(remnant magnetization)。
藉由殘磁的保存，我們才能利用這些磁性礦物看出古地磁場的狀況。
殘磁形成的方式有很多，例如
沉積殘磁，在一良好的沉積環境，磁性礦物依著古地磁的方向沉積，在受到擾動之前
就膠結固化，紀錄下當時的古地磁場。
熱殘磁，火山噴發時的岩漿中含有磁性礦物，在這些岩漿在冷卻的過程中
通過居里溫度時，紀錄下當時的古地磁場。
居里溫度是物質由順磁性轉變為具有殘磁的鐵磁性的溫度。因為目前所知的磁性礦物
，沒有一種能在這種高溫下還能保有鐵磁性。

當然對鐵磁性物質來說，不只是通過居里溫度就能保有熱殘磁，
後面還有一些故事(blocking temperature、relaxation time...balabala...)，
不過BBS沒有方程式編輯器和繪圖工具，很難用文字講出來...
而殘磁的分類也不只這些，還有很多像是等溫殘磁、化學殘磁、黏滯殘磁等等。
磁性物質也不是全部是鐵磁性，屬於鐵磁性和不屬於鐵磁性的物質，
特性不一樣，處理它們的方法也不一樣。
“處理”的意思是...利用一些方法，想辦法從這顆帶有磁性礦物的岩石樣本上
找出古地磁的方向、大小。“一些方法”...再講下去就天黑了....不如接下去
講更精彩的吧。

-平均500,000年發生一次 整個過程約7000~9000年完成
- 時間並非固定 曾經在恐龍時期 間隔長達3500萬年才發生
- 上一次的地磁倒轉是 78萬年前

78萬年前的那個是地磁年代表中的世代(Epoch)...
一個世代中的地磁場會有一個大部份方向，
而且在每一個世代中都會有一些和世代中大部分方向相反的小的事件(Event)，
造成一個世代中的古地磁正中有反，反中有正。
我們說地磁場的方向和現在相同為正向(Normal)，相反為反向(inverse)
上一個地磁翻轉的事件距今約4萬年。

-地磁倒轉徵兆從150年前開始衰弱 至今已衰弱10~15%
我們假想地球的磁場是由
一個磁荷 + 一個磁偶極(dipole) + multipole expansion(多極矩展開)
放在地球中心所造成的。

磁荷的意思是假想磁鐵只有單極(只有N極或只有S極)
磁偶極最常見，就一般的磁鐵，同時存在N極和S極(一組成對的磁荷)
多極矩展開的意思是同時存在於一個範圍的3個磁荷、4個磁荷、5個、6個、7.8.9.10.....
的這些極矩。

經過精彩的電磁學計算(分離變數、Laplaction、Legendre polynomial、Fourier Series
balabala...)解出磁的magnetic potential(有點類似電位的東西..不過我電磁學沒學好
，說不出個所以然來...orz..)。
然後由magnetic potential算出1、3、5、7、9這些單數磁荷對地磁場的貢獻為0。
也就是說假想的地磁場裡，只有成對成雙的(2.4.6.8....)磁荷存在。
用電磁學的角度來看，
Div(B) = 0。(意思是 磁荷B，在一個封閉高斯面裡沒有向外流出的磁場。)
或許能說明為什麼假想的地磁場裡沒有磁單極存在。

由這組假想的模型去近似地磁場，到目前為止看起來是滿順利的。
經過計算發現地磁場的強度有90%以上是由磁偶極場(dipole field)所貢獻的。
特別是發現地磁場中由磁偶極所貢獻的部份正在減弱。
這也正是地磁場減弱的絕大部份。(或許是全部，不過我不確定...)
於是，地磁場是否倒轉，就決定在當dipole field的強度減弱到和multipole field
的強度差不多的時候。如果multipole field(多極矩的磁場)和dipole field方向一致，
那就皆大歡喜，地磁場就只是減弱，不會倒轉。
如果multipole field 和dipole field的方向相反，那就會發生地磁場倒轉的情形。

值得注意的是，當地磁場開始倒轉的時候，地磁場的強度通常已經很弱了。
因為貢獻90%地磁場的dipole field已經減弱的差不多了，剩下的只有10%的multipole
field。所以地磁場最弱的時候，強度大概是地磁場正常的時候的1/10。
這也就是NASA駁斥海德拉巴德模型的說法的原因，因為地磁場在轉換的過程中
只會減弱，不會消失。(當然我自己也有疑問，為什麼multipole field不會跟著減弱？)

地磁場在轉換的過程中是慢慢的轉過去的，不是時間一到說轉就轉。
於是磁性礦物就會紀錄下，古地磁翻轉的過程，稱為古地磁漂移。
紀錄古地磁漂移的路徑，稱為VGA path
VGA (Virture Geomagnetic pole，就是那假想的dipole field的部份。
因為dipole field 90%的魅力，古地磁學家就乾脆先只看dipole field的部份。)
經過古地磁學家們的研究(別問我怎麼研究...那要講到鑽岩芯、旋轉座標系、
球面座標系、stereo net，和地磁場的計算...講完天大概又亮了吧...orz...)
發現40多組紀錄中，有34個VGA path是差不多的路徑，這就解釋了前面
地磁場的轉換和dipole field脫不了關係的說法。

-1953~1954 日本學者首次發現地磁倒轉證據
首次發現地磁倒轉的好像是法國一個叫Berverd的物理學家，在1906年發現的。
不過他發現這個，卻不敢講，只說古地磁似乎、好像有異常。
到1923年的日本學者Materijama，也發現了地磁倒轉。不過他找到的岩石樣本裡頭
含有一種會自己翻轉磁性的磁性礦物
(N-type ferrimagnetism，在某個溫度區間下會有反向的磁化。)
所以他也不敢確定地磁倒轉這件事是不是真的。然後↓

-1950年代 英國的P.M.S. Blacket及S.K. Runcorn對沈積岩的殘磁測定發現磁力線異常
1963 Allen Cox 量得火成岩中的熱殘磁，並定出火成岩的形成年代。
1969 Allen Cox 畫出一張全世界的古地磁時間表(magnetic time table)
利用這張古地磁時間表就可以做很多事情了。例如
建立岩芯當地的磁地層表、估計岩芯的沉積速率和構造地質的問題...balabala...

至於地磁翻轉後的影響，這我就不曉得了。不過聽說很多生物的滅絕跟地磁翻轉的時間
相符合。地磁場可以擋的住大部份的大陽風，不過當地磁場的強度只剩下1/10時，
太陽風對地球上生物的影響...這就有待研究了。

1999 丹麥人造衛星阿斯泰茲(Orsted)
發現磁力場變化明顯: 南大西洋和北冰洋出現數個大洞
(http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/museum/oerstedsatellite.html )

置於轉換後的影響
印度日報(Indiadaily)2005年3月1日報導
(網頁資料 http://www.indiadaily.com/editorial/1753.asp )
海德拉巴德的一家公司提出電腦演算模型 海德拉巴德模型
猜測引起後果 候鳥迷航 電力中斷 太陽輻射猛擊 生物免疫力下降 重力場變化
(現在大宗發電方式是動能透過磁力而產生電流 如核電廠 火/水/風力發電廠
地磁是地球對於太陽輻射的防護罩)

NASA駁斥海德拉巴德模型說法 認為地球的磁場在轉換過程中只會減弱和不會消失

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