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作者：戴夏飛（Dr. Frédéric Deschamps）研究員（本院地球科學研究所）

戴夏飛博士為本院地球科學研究所的研究員，於2011年加入。其研究方向為行星內部的結構、動力學和組成，特別是類地行星（包括地球）的地函，以及冰衛星（木衛二、土衛六）和矮行星（冥王星）的冰層。

Dr. Frédéric Deschamps is a research fellow at the Institute of Earth Sciences (IES) of Academia Sinica. He joined the IES in 2011. His research activities address the structure, dynamics, and composition of planetary interiors, and more specifically of the mantles of rocky planets, including our planet Earth, and of the ice layers of icy moons and dwarf planets, such as Europa, Titan, and Pluto.

地球磁場保護我們免受太陽及宇宙高能粒子的侵害，其強度與形態會隨時間產生劇烈變化。雖然這些變化的確切起源仍是一個謎，但近期的研究指出，從地球外核所能提取的熱量多寡，很可能在這些變化中扮演了關鍵角色。

我們的地球擁有強大的磁場，雖然基本的人體感官無法直接感知，但卻能輕易透過指南針等工具偵測出來。儘管我們感覺不到，地球磁場對我們仍有著強大的影響，因為它就像一個盾牌，保護所有生物免受來自太空的高能粒子（如太陽風和宇宙射線）的侵害。如果沒有磁場，我們的星球很可能根本不適合居住。

幸運的是，證據顯示（透過古老岩石的分析）地球磁場在大約 40 億年前就已經存在，也就是地球形成後不久。對較年輕岩石的進一步分析顯示，磁場自那時起便一直持續存在，但其強度和方向在長期與短期的時間尺度上都有很大的變化。

如今，科學界對地球磁場源自「外核」這點已經有相對清楚的理解；而較不清楚的，是究竟哪些過程和特性在控制著它隨時間產生的變化。然而，越來越多的證據（包括本院地球科學研究所所進行的研究）指出，上層岩石地函從外核所能提取的熱量在時間與空間上的變化，在地球磁場的演變中扮演了關鍵角色。

地球磁場

地球磁場的一個核心特性，在於它主要呈現雙極性（或稱偶極性）。這意味著它就像一根普通的條形磁鐵一樣，與磁場相關的力會沿著一條條隱形的線（即磁力線）排列。這些磁力線的起點（流出點）與終點（流入點），也就是我們所說的磁北極與磁南極。

在地球上，磁北極與磁南極分別位於地理南極與地理北極的附近。這就是為什麼指南針（其本身就是一根小條形磁鐵）的指針會指向北方：因為它感應到了地球磁場，其磁北極會旋轉以和地球磁場的磁力線方向保持一致，而這些磁力線的終點正好就在地理北極（或稱真北）附近。如前所述，這個地理北極實質上對應的是物理上的「磁南極」，但傳統上我們仍稱之為「磁北極」（註1）。或者更精確地說，指南針只是指向「接近」正北的方向，因為真北與磁北的方向之間存在著些微的差異（地球物理學家將這個夾角稱為磁偏角）。

讓事情變得更複雜的是，地球表面不同地點的磁偏角並不相同。以台灣為例，目前的磁偏角大約是向西 5 度，這代表指南針所指示的北方，其實比真北偏西了5度。更棘手的是，特定地點的磁偏角還會隨著時間而改變，磁極的位置也是如此。在過去的幾十年裡，磁北極正快速地從加拿大北部向真北移動。因此，地球表面的磁場地圖必須定期更新。

這些短期變化充分說明了一個事實：地球磁場會改變，而且一直以來都在隨時間演變。然而，相較於更長期且更劇烈的變化，這些短期變動僅僅是冰山一角。

註1：磁力線在靠近地理北極的地方聚集（流入），而不是從該處發散（流出）。為了簡化日常對話中的溝通，人們通常會把位於北極圈的地理方向和磁極方向，分別簡稱為「真北」與「磁北」。然而，由於磁力線實際上是聚集流入「磁北極」而非從中發散，因此就物理性質而言，地球目前的「磁北極」在物理定義上其實是一個磁南極。

地磁倒轉

在 80萬年前，指南針的指針會指向南方：在那個時期，地理南極與磁南極在同一個方向。當然，那時候並沒有人拿著指南針，但是當時形成的火山岩與沉積岩記錄下了那時的磁場。透過測量這些岩石的磁化強度——這門專業的科學分支被稱為古地磁學——我們得以重建地球磁場的歷史（註2）。

古地磁學所傳達的核心訊息是：地球磁場在過去不論是方向還是強度，都發生過相當大的變化。在某些時期，磁場的方向甚至完全顛倒：北變成了南，南變成了北，這段時期被稱為地磁倒轉期。地磁倒轉事件通常很短暫，一般持續不到幾千年，而且發生得毫無規律，也就是說它們並非週期性地重複。

根據2020年發布的地磁極性時間表^[1]，近期的倒轉頻率約為每百萬年發生5次，但在白堊紀中期（即 1 億2100萬年前至8400萬年前）則降至零。在將近 4000 萬年的時間裡，地磁極性始終保持不變。這段時期被稱為白堊紀地磁極性超期。

白堊紀地磁極性超期為何會發生，其確切原因目前仍不清楚。但多項研究指出，核函邊界熱通量在空間與時間上的變化，扮演了控制磁場長期變化的關鍵角色；而這個熱通量，正是用來衡量熱能從地核被提取到地函的效率。

註2: 80萬年前的地磁事件也被記錄在西菲律賓海的岩芯中，並由中央研究院地球科學研究所的洪崇勝進行研究。參閱其於 2022 年 11 月發表在《科學月刊》的文章——〈從古地磁學的研究看地球磁場長期的變化〉。

外核與地球發電機

地球磁場源自於外核。該區域位於岩石地函（深度約20至2890公里）下方，所處深度範圍為2890至5150公里。外核基本上是由液態的鐵和鎳所組成。由於此處普遍存在著極高的溫度（約6000 K），金屬原子會釋放出它們最外層的（價）電子，這些電子隨後便能自由移動，扮演起電荷載體的角色。

此外，外核內部還充斥著大規模的運動（或稱流動）。正如剛才所提到的，由於電子可以自由移動，這些液態金屬的運動便觸發了大規模的電流。接著，電流再透過一種被稱為地球發電機的過程產生磁場。

在不深入探討細節的情況下，有幾種力同時作用於地核的流動上，其中包括傾向於減弱流動的黏滯力、作用於電流上的勞侖茲力，以及將磁力線往南北方向帶動、進而使地球磁場呈現主要以雙極性為特徵的科氏力。這些力之間的相互競爭，正是造成地球磁場產生短期與長期變化的原因。

從地核提取熱量：地函對流的角色

受到磁場的保護是有代價的。產生地球發電機的外核熔融鐵流，需要能量才能良好運作。如今在地球內部，這種能量是由地核結晶化所釋放的潛熱所提供。這反過來又需要地函從地核中提取足夠的熱量，好讓地核能夠降溫。換句話說，存在著一個熱通量的最低限度，若低於此數值，地球發電機便無法運作。

但事情不止於此。熱通量在時間與空間上的變化，正影響著外核頂部流動的細節。例如，低熱通量的區域可能會導致流體的局部分層化^[2]，或是增強特定的流體運動。近期的研究指出，這種機制可能會阻止地磁倒轉的發生^[3]。
因此，核函邊界熱通量的確切數值（能從地函提取的熱量多寡）及其在空間與時間上的變化，對於更深入理解我們的磁場及其演變至關重要。反過來說，要準確測定這些變化，就需要對深部地函（深度約 2000 至 2890 公里處）內部所發生的情況有良好的描述。

地球的地函充斥著大規模的對流運動，且因為這些運動比外核的運動慢得多，它們控制著核函邊界的熱通量。對我們這個故事至關重要的是，地函對流傳遞熱量的效率，以及核函邊界熱通量的橫向變化，本身會受到地函幾項性質的影響，例如其黏滯度和熱導率。

同樣至關重要的是，深部地函中存在著一些可能會影響區域熱通量的結構。這包括了所謂的大型低剪力波速度區。在這些位於非洲與太平洋下方地函底部的「大陸級規模」區域內，地震剪力波的速度與地函其他部分相比下降了幾個百分點。根據主流假說，這種地震波速度的下降，代表了溫度的升高以及成分的改變（極有可能是富含了鐵元素）。

估算核函邊界的熱通量形態

在過去幾年中，本院地球科學研究所開展的研究，正是旨在更深入地理解這些影響。在一項基於地函對流數值模擬的最新研究中，我們證實了核函邊界的熱通量在大型低剪力波速度區內部會顯著地減少。更具體地說，我們的模擬顯示，在這些區域中，熱通量普遍低於外核側的熱通量。在某些局部地區，熱通量甚至可能轉為負值——也就是說，熱量反而從地函流入地核，而不是由地核傳向地函。在這種情況下，地核在大型低剪力波速度區下方是無法冷卻降溫的。我們的計算進一步顯示，熱通量在空間與時間上的變化幅度非常大，可達到平均熱通量的3到4倍。如果這個結論正確，我們模擬中所觀測到的熱通量形態，將會對地核動力學與地球發電機產生強烈的影響。大型低剪力波速度區下方的低熱通量，預期會引發該區域外核頂部的熱分層化。這種分層化現象若與劇烈的熱通量變化相結合，便可能在地磁極性超期的開使或結束中扮演關鍵角色。

另一項在地球所進行中的研究，則旨在利用地震波斷層掃描影像（即用來選定大型低剪力波速度區的相同影像），來繪製出核函邊界的熱通量形態圖。基於對流模擬所獲得的結果，我們開發出了一種新技術，能夠在地震波斷層掃描影像中，區別出不同類型物質的地震波特徵。換句話說，給定一張斷層掃描影像，我們就能預測地函底部特定地理位置上存在著哪種物質。這種物質分布與溫度的空間變化密切相關，因此，它會強烈影響核函邊界熱通量的空間變異。我們目前正致力於開發一種能直接從地震波斷層掃描圖中估算此熱通量的方法。這類地圖至關重要，因為當它們被納入地核動力學的模擬中時，將有助於我們更全面地理解地球發電機以及地球磁場的演變。

Reference 
[1] Ogg, J. G. (2020). Geomagnetic polarity time scale. In Geologic time scale 2020 (pp. 159-192). Elsevier. 
[2] Mound, J., Davies, C., Rost, S., & Aurnou, J. (2019). Regional stratification at the top of Earth's core due to core–mantle boundary heat flux variations. Nature Geoscience, 12, 575-580.
[3] Olson, P., & Amit, H. (2015). Mantle superplumes induce geomagnetic superchrons. Frontiers in Earth Science, 3, 38.