現象發現
P.達維德（1904）和B.布容（1906）最先從熔岩中發現了磁化方向與現代地磁場方向相反的岩石，後在世界各地都找到反向磁化的岩石樣本。研究結果表明，不同地質年代的岩石，有的是正向磁化的（即同現代地磁場方向相同），也有的是反向磁化的，而且正向的和反向的幾乎各占一半。還發現這種磁化方向的顛倒在地質年代的時間上具有很好的全球一致性。這種現象的唯一合理解釋是地磁場曾多次發生過極性倒轉。60年代以後，由於深海鑽探和海洋磁測的發展，發現大洋中脊兩側對稱地排列著正、反向磁化相間的磁異常條帶，證明了海底地殼從中脊向兩側擴張，同時也進一步證明了地磁極性倒轉確曾發生過多次。這一研究成果為人們普遍接受。地磁倒轉是地球磁極在地質時期中的交替現象。
地球內外擠壓
地球內外擠壓的過程不是永恆的,擠壓的結果是達到原子核間斥力和正負電場引力的平衡.當擠壓過程結束時,電流消失,自轉驅動力會消失,地磁場也將消失,太陽發射出來的各種射線會直達地表,密集的正電粒子對電子的中和作用將進一步增強,使地幔層的電子減少,負電場減弱.這必然使地心的壓力減小,引力將會變小,地球的"腰圍"也必然會變粗.當地核的斥力占有絕對優勢時,地球將會進入膨脹期,地幔層的電子會回流向地心,如果此時地球仍存在一定的自轉慣性,那么,地磁場的方向會發生變換;如果此時的地球已完全停止自轉,那么,還有可能是磁場的方向不變而改變的是自轉的方向.因此,有兩種結果產生:要么地磁反轉,要么自轉反向.
地磁反轉
"地磁反轉"學說對此提供了可靠的依據——近年來,許多地質學家一致認為在過去的7600萬年中地磁至少反轉過171次.因為許多國家已經從地質勘測中查到了地磁反轉的證據.法國和美國的科學家通過10Be分析法證實地磁場發生過逆轉.地球上的Be(鈹)元素都是以穩定的9Be存在的,如果有10Be存在則與地磁場消失有關,地磁消失時,磁層和電離層消失,宇宙射線中的高能粒子會直達地表,在它們的轟擊下,氮氧等元素會發生裂變反應,產生7Be和10Be.7Be的半衰期很短,將很快消失,而10Be的半衰期卻很長,找到10Be就等於找到了磁極反轉的證據.七十年代,科學家在大西洋海底4731米深處發現了較高濃度的10Be,相應的地質年代為70萬年,從而證實,在70萬年前有過一次地磁反轉.——地磁反轉,正是地電流的反向流動造成的.烏克蘭專家們也探測到,地球磁通量數值在最近200年裡大大減小,按現有的速度遞減,再過1000年地球的磁通量將降至零值.英國地質觀察中心阿蘭·湯普森教授指出,地球磁場在歷史上不止一次曾消失過,地球磁極的變換是這種現象的結果.有的科學家推斷,地磁場發生逆轉前,磁力急劇減弱,直至消失,其後約需1萬年時間磁力強度才逐漸回復,但磁極方向卻完全相反了.
重大發現
.可以肯定,地磁變換的周期將越來越長,直到最終停止,成為一顆死行星.如果仔細分析地磁產生的原因,人們就會明白,磁極變換和電子運動方向的改變是密不可分的兩個現象,而這個過程是個耗能的過程,周期逐漸變長顯然是不奇怪的,總有一天這個過程會完全終止,而使地球成為一顆沒有電磁活動的死行星.對於人類和所有生物來說,地磁變換是災難性的.地磁消失後,太陽的各種射線都會直達地表,強烈的輻射會使動植物發生變異生長.當地磁變換後,地內電子回流的速度遠遠超過擠壓時的逃逸速度,而且電流強度也比逃逸電流的強度大得多,這使地磁場的磁通量增加至現階段的幾倍甚至幾十倍,較強的電流和磁場會給地球自轉以強大的動力(安培力),地球將以極快的速度自轉,地殼會被離心力扯裂,體積將增加至現階段的數倍甚至數十倍.由於負電場力的減弱,地球在太陽磁場中受到的洛侖茲力將會減弱,磁極反轉使地球磁場與太陽磁場相排斥,公轉軌道將向日外偏離,它將加入"外行星"的行列,這種現象將維持到下一次磁極變換.
與地球內部物理過程
海洋磁異常清晰地揭示出165Ma以來地磁極性倒轉頻率的變化特徵［11］.以陸相沉積物及火山岩建立的磁性地層進一步證實了這一結果.但目前對地磁極性倒轉頻率變化的起因還存在爭議.對10Ma以來地磁極性年表的統計研究表明,地球磁場極性倒轉間隔(τ)服從泊松分布［12］；而對165Ma以來(白堊紀靜磁帶不參加統計分析)的極性年表數據的統計結果則揭示出,τ服從對數常態分配,而不是泊松分布,且正極性間隔和負極性間隔所服從的分布沒有顯著區別［13］.
地磁極性倒轉頻率的變化與地幔對流時間尺度相一致［14］.目前對這種一致性的解釋有兩種觀點,其一是全球熱通量的變化驅動發電機過程,這一過程又會改變地磁極性處於倒轉和穩定不同過程的動力學體系；其二是下地幔下部結構的變化導致地球內部不穩定因素的出現.而Larson等人［15］則討論了地磁極性倒轉活躍期與平靜期的差別,指出超靜磁帶與大地幔柱和強地磁活動相伴隨；通過測量海底高原、海山鏈、大陸玄武質熔岩流的體積表明,在過去165Ma,地磁極性倒轉頻率和地幔柱的活動程度呈負相關.這一現象在CNS期間尤為顯著.礦物物理研究表明,地球內部的熱和化學演變過程不僅控制著D″層的厚度變化,而且為地幔對流提供動力.由於D″層的溫度較高,它的粘度比下地幔要低得多.因此,在熱浮力的推動下,產生於D″層的地幔柱有可能克服地幔的阻力而上升；D″層底部粘度較小的物質不斷地補充到地幔柱.同時,由於D″層厚度的減小,使得其內部的溫差進一步加大,導致核幔邊界(CMB)的熱傳導速率增大.這一過程會導致地核頂部熱損失的增加,為了達到熱平衡,地核內的對流速度將增強；這一過程又會導致內外核邊界溫度梯度的增加,從而導致核心潛在的結晶能向外核傳輸.這一過程將引起地磁極性倒轉頻率下降［16］；當外核流體對流的速度增加到某一臨界值時,地磁極性將停止倒轉。
地幔對流可能影響地核發電機過程和地球磁場長期變化的另一個可能機制是CMB形態和熱效應.由於CMB形態變化的影響,絕熱過程與重力均衡不再是一致的.因此將出現橫向溫度梯度效應以及地球外核流體系統與地幔之間的機械作用.這種過程必然導致下地幔的熱結構對地磁極性倒轉方式和頻率的控制.地幔中的熱擾動可能與D″層內熱邊界層的不穩定相聯繫,而這種熱擾動可能對核內流體運動起調製作用,這就導致了相對穩定和快速倒轉周期的出現［17］.地幔內的周期性對流要求,165Ma才能使熱邊界層得以建立並最終成為亞穩態,邊界層的建立將導致CMB短暫的變化,這可以解釋觀察到的自白堊紀以來倒轉頻率逐步增加這一現象.這種核-幔熱和機械耦合模式強調了D″層內動力學過程的重要性及其與地球磁場之間的可能相關性.
近年來,對地球磁場倒轉頻率機制的研究有了新的進展.如果一些冷物體迅速地與外核接觸,外核的熱流狀態會迅速且顯著地改變.這一機制能比較合理地解釋CNS如何被突然觸發［18］.比如,一個熱導率(k)為10-6m2·s-1的板狀冷物體與外核接觸,這一物體下面的熱流正比於溫度梯度ΔT/(kπt)1/2,其中ΔT是外核與冷物體之間的初始溫度差.經過某一恢復時間(b2/kπ),外核的溫度恢復到與冷物體接觸前的值(ΔT),其中.假定熱邊界層厚約為100km,則外核溫度的恢復時間尺度為100Ma,與CNS的時間長度相似.根據這一模型,自165Ma以來地球磁場極性倒轉頻率的變化可以解釋為［18］:在CNS之前核幔邊界存在著熱邊界層,CNS初始時,這一熱邊界層被某一冷物體擾動.達到熱平衡後,熱邊界層恢復到初始值.在這一模型中,冷物體的來源目前還不清楚,有可能來自下地幔.
由上述研究可知,地幔對流引起的熱通量橫向變化可能會影響地核內流體運動狀態,並產生現今觀測到的地球磁場變化,進而影響極性倒轉頻率.地磁極性倒轉周期與地幔對流時間尺度的一致性可能說明了前者受到後者的調製作用,這正是白堊紀和二疊紀等超靜磁帶出現的原因.
