地球液态内核突然掉头旋转——科学家至今不明原因

地球约2200千米深处有一层熔融的外核。外核主要由导电的液态铁组成，当它流动时，会参与产生地球的磁场。多年来，科学家通过研究磁场中的一些微小变化，认为外核中的物质大多主要向西流动。

2010年，太平洋下方的地核流动出现了明显变化。在太平洋下方，一大片熔融物质不再维持较弱的西向流动，而是突然开始强烈向东流动。目前科学家还不清楚这一变化发生的原因。

现在，卫星观测让科学家能够更详细地研究这次变化，其中包括欧洲航天局（ESA）的“斯瓦尔姆”（Swarm）和“冰星”（CryoSat）任务。该研究发表在地核物理学期刊《地球深部动力学研究》（Journal of Studies of Earth's Deep Interior）上，结合了1997年至2025年的地面观测和卫星测量数据。研究人员使用了ESA的Swarm和Cryosat任务数据，以及德国CHAMP任务和丹麦Ørsted任务的观测资料。他们的分析表明，在赤道太平洋下方，一大片富铁流体在2010年从弱西向流动转变为强东向流动。

过去，科学家通常认为外核中的大规模环流相对稳定。但太平洋下方这次突然的方向转变说明，地核系统发生变化可能比此前想象的要快得多。这些发现为理解地球磁场是如何由湍流的液态铁运动产生提供了新线索，也可能暗示外核活动与更深处地球内部变化之间存在联系。

该研究的 lead author、爱丁堡大学地球科学学院（School of Geosciences）的弗雷德里克·达尔·马德森（Frederik Dahl Madsen）说，太平洋下方的大规模流动反转提出了关于地球深部行为的新问题。科学家现在想知道，这一变化究竟是短暂波动、重复振荡的一部分，还是外核流动进入了一种新的稳定状态。未来需要持续监测，才能判断地核流动会如何演变。

研究模型显示，太平洋下方这股强烈的东向流动自2020年以来已经减弱。马德森还说，太平洋强东向流动的上升期与地球内核行为变化几乎同时发生，这一内核变化是通过大地测量学和地震学推断出来的。因此，他们提出假设：地球深部这些变化可能与太平洋下方地核流动变化有关。

地球磁场是由液态外核中的运动产生的。在导电的熔融铁绕着固体内核流动的过程中，形成了所谓的“地磁场发电机”（geodynamo）机制。这个机制一直在变化，不过在许多年的观测中，它的大范围流动模式看起来曾经相对稳定。

欧洲航天局于2013年发射了三颗Swarm卫星。每颗卫星都配备了极其灵敏的磁力计，可以高精度测量地球磁场。由于卫星在精心设计的轨道上运行，科学家能够把来自地核的磁场信号，与来自地壳、海洋、电离层和磁层的信号区分开来。

这些观测帮助科学家重建地核—地幔边界附近的流动变化，也帮助识别与太平洋地核流向反转以及2017年地磁急变有关的变化。ESA Swarm任务负责人安妮亚·斯特罗姆（Anja Stromme）表示，长期观测记录对这项研究非常重要。她说，尽管Swarm卫星是在2010年剧烈反转事件之后发射的，但它随后提供了高精度数据，帮助科学家了解之后地球内核的情况。Swarm多年持续覆盖全球，使科学家能跟踪地核动力学随时间演变，而不是只依赖地面磁场观测站。长期的卫星磁场测量能让研究者接近实时地观察地磁发电机变化，并改进地球磁场演化模型。未来这类卫星任务仍会发挥关键作用。

卫星数据还显示出类似波浪的加速现象和快速变化的流动结构，这些在噪声更大的旧数据集中可能很难被发现。研究结果表明，东向流动可能在几年前达到最强后已经开始减弱。这意味着这次流动反转可能只是暂时的，或者属于外核中更长期自然周期的一部分。

这些深部事件发生在地下很深处，不会直接威胁人类或气候，但对于理解地球如何运作非常重要。外核中液态铁的运动产生了地球磁场，保护地球免受太阳释放的带电粒子影响。如果没有这个保护磁场，地球大气和技术系统将更容易受到有害太阳辐射的损害。

地球磁场一直在变化。当地核流动模式改变时，磁场也会逐渐变化。这些变化会影响导航系统、航天器运行，以及研究近地空间天气的模型。因此，了解外核为什么会变化、如何变化，对科学研究和实际应用都很重要。

ESA Swarm任务科学家埃莉萨贝塔·伊奥尔菲达（Elisabetta Iorfida）说，太平洋下方地核流动反转挑战了“外核主要由稳定西向环流主导”的传统观点。她指出，这项研究表明，区域性变化可以在短短十年内迅速出现。这些发现也可能帮助科学家研究外核、内核和下地幔之间可能的相互作用，并进一步认识地核—地幔边界这一对地球深部动力学至关重要的区域。随着地球磁场继续演化，卫星任务正提供更精细的深部地球动态图像，显示地球核心可能比以前认为的更加多变和复杂。