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地磁逆轉與太陽閃焰殺手

百萬年一次的地球磁場逆轉、來勢洶洶的太陽大規模磁爆,或許它們不再是杞人憂天的末日話題,而是值得深入探究的科學議題。

文 / 陳文屏(任教中央大學天文所、物理系)

大家可能跟我一樣,記憶中世界已經末日好幾次了,尤其最近在網路與媒體推波助瀾之下,類似謠言越發頻繁,幾乎每月一爆,有些明顯不值一駁,有些則很有創意而不易判別真偽。其實除了極少數狂熱份子以外,絕大多數人並未因為這些謠言而人心惶惶,他們房貸照繳,學測照考,只不過生活多了些話題。比較令人擔心是「狼來了」效應,也就是傳聞聽多麻木了,一味不信的結果,之後要是連氣候變遷、能源食物短缺這樣的議題都莫衷一是,這就不好了。

圖一:地球磁場逆轉與太陽大規模磁暴是否會造成世界末日呢?

2012 世界末日的傳言,本來應該最容易駁斥,因為純粹就是電影宣傳。但是似乎言之鑿鑿,整個傳言不斷廣受注意,且如滾雪球般推陳出新,似乎文明真將要走到盡頭。一般來說,有些謠言來自以訛傳訛,原來的真相被扭曲了;有些則製造出來惡意傳播或設計騙局。

這次2012 傳聞之所以風行,除了配合電影宣傳,還有個關鍵因素就是內容的確有部分科學事實。姑且稱這為「撲克牌伎倆」吧,就是把已知科學知識,像撲克牌洗牌一樣,穿插了似是而非的猜測,達到混淆視聽或招搖撞騙的目的,不僅一般大眾難判虛實,有時候一知半解的人反而更容易接受說法,因為他們認為這些有科學根據。

要從謠言撲克牌當中辦認出哪些是事實,哪些是謬論,並不總是容易,多半時候乃因為我們專業知識不夠。尤其每當有人出來駁斥謠言,總另外有人提醒科學家要謙虛,因為歷史中不乏出現走在當代前端的智者,他們提出的理論不為當代接受,而受盡委屈甚至遭到迫害。有了這樣的提醒,連那些專業知識豐富的人也不願意出來說話了,因為他們清楚知道世界上的確還有很多不懂的學問,而如此認知原本就是科學家探求大自然的原動力。

電影的劇情是說根據馬雅使用的曆法,2012年12月20日為大循環的結束,整個世界就結束了。其實該曆法沒有這個意思,每個循環是14 萬4000 天(也有說法是5126年),目前這第13 個循環結束後,就是下個循環的開始。在大循環結束的時候,馬雅人懷著虔誠心情熱烈慶祝。這不奇怪,我們每年除夕就是如此,甚至每個星期一上班、上課都有些心情低落,都是循環的例子。

很難想像一個已經消失的文明,何以能夠預測數千年之後整個世界的命運。倒是有人趁機出書,認為「2012 年12 月21 日,也就是當年度冬至時節,太陽會在2 萬6000年當中首次與銀河中心對齊,因此平常來自銀河中心的未知能量,會在當天國際標準時下午11 點11 分受到擾亂」。

圖二:(A)地球磁場在結構上很像磁鐵棒,在兩極處強度較強,但是地球磁場來自內部的電流作用而產生,與(B)磁鐵棒不同。

牌洗出來了!事實與謬論混在一起。太陽與其他千億顆恆星構成銀河系,我們距離銀河系中心2 萬8000 光年,繞行一圈需時約2 億4000 萬年的週期,這是簡單的圓心、圓周長與速度的問題。銀河中心聽起來有點神秘,宇宙當中也果然有未知能量,目前科學家還不知道它們的性質。以上這些都是事實。謬論在於太陽與銀河中心沒有排列對齊的說法,3個以上的點才能排列對齊,目前更沒有知道任何來自銀河中心的能量,能夠影響地球,更不用說會造成地球毀滅。

另一個說法是行星「尼比魯」(Nibiru)將於2012 年底回歸,與地球相撞,造成毀滅性後果。類似的說法每隔幾年就會出現。事實上,在所有會造成全球生物滅絕的種種可能性當中,小行星或彗星撞擊的確有可能發生,但絕對不是2012 年,因為要是尼比魯朝著我們而來,現在應該早被觀測到了。地球附近有成千上萬個小行星,還有無以數計的小石塊。小石塊無時無刻不與地球相撞,造成夜空的流星現象。大的石塊撞擊造成的破壞性大,但它們數量少,也容易被望遠鏡偵測到,它們的軌道目前皆受到監測。人類已有了預測這些撞擊的能力,雖然不是百分之百準確,但可確定不會發生在2012 年。

這裡針對兩項世界末日的說法來討論,它們都與磁場有關。第一個謠言是說地球磁場逆轉,第二個說法則認為太陽發生大規模磁暴。

地磁逆轉殺手?

有關地磁的謠傳,是說2012 年地球磁場將逆轉,也就是南、北極對調,宣稱逆轉的證據存在於古籍、太古地圖當中,並且與太陽磁場逆轉有關。我們先來看看地球磁場。日常生活隨時隨地都有磁場圍繞,除了電器以外,無所不在的是地球磁場,在赤道上強度大約為0.3高斯。做實驗時,我們看到磁粉分布集中在磁鐵棒兩端,這是強度最強之處。地球磁場有如大磁鐵,也有南北兩極,目前地磁南極(S)接近地球北極,而地磁北極(N)則在地球南極附近。

地球磁場分布雖然有如磁鐵棒,但實際上地球並非一大塊磁鐵。從地球表面往中心,有不同結構,表層為平常看到的岩石,而核心則包含了鐵、鎳等重元素。地球內部溫度、壓力極高,內核心可能就是整塊鐵鎳結晶,之外則包覆了液態的外核心。據估計

外核心平均溫度達5000℃,物質處於游離狀態。所以地磁不是因為核心是個永久磁鐵,而是因為該處溫度太高,物質無法以相同極性方向排列。一般相信地球磁場來自電流,條件是需要導電性高的流體,加上地球自轉與對流活動。

圖三:地球磁場保護地球,阻擋來自太空的高能量粒子(主要是來自太陽的質子)長驅直達地面。

地球磁場對於生命非常重要。要是沒有磁場,其後果不只是羅盤無法運作,而是來自太空的高能量粒子(主要是來自太陽的質子)長驅直達地面,造成生物死亡。根據測量,地球的磁場目前與地球自轉軸偏了約11 °,其方向並不固定,強度近來也逐漸減弱,大約每世紀減弱7%,但有可能只是短期變化。當熔岩從火山噴出,會因為冷卻而凝固成為玄武岩。這種岩石略帶磁性,所以當它固化時,便帶有當時地球磁場的訊息。藉由測量從火山噴發出來的玄武岩磁性,科學家發現地球磁場的確有逆轉現象,週期大約數萬年到數百萬年,平均20 萬到30 萬年。地磁逆轉過程中,會有段過渡時期,或許幾百年,地球暫時沒有磁場,但是化石證據卻顯示生物並沒有明顯受到影響。因此有些科學家認為磁極逆轉過程中,磁場可能並非整個消失,而是強度減弱,或是結構變得比較複雜,例如不再是簡單的南北兩極,而地球大氣層或許仍然足以阻絕質子穿透,以致生物並沒有整體滅絕。

圖四:太陽的結構,核心進行核反應,能量向外以輻射傳 出,再向外則以對流方式傳遞出來。

所以,地球磁場的確有變化,在過去也可能曾經發生逆轉。科學家或許仍不了解地球內部磁場如何產生以及變化的詳細過程,但是目前的科學知識足以知道「不會」發生哪些事情,也就是地磁不會在2012 年倒轉,地球也不會因此滅亡。

太陽閃焰殺手?

另一個世界末日的可能殺手,是太陽磁場大爆發。其根據是太陽活動以11 年為週期,而2012 年預計達到下個活動高峰,因此有了這個說法。讓我們看看太陽是什麼樣的東西,如何造成世界末日?

太陽溫度高,平常看到的表層約為6000℃,而中央核心我們看不到,依照理論估算以及一些(例如微中子)觀察現象,核心溫度估計高達1500 萬℃,足以進行核反應。所產生的熱能讓游離的氣體高速運動,彼此推擠產生膨脹熱壓力,抵擋內縮的萬有引力,維持住太陽結構穩定。太陽穩定發光已經46 億年,目前研究顯示其中央豐富的氫元素還可以維持供應核原料達50~70億年,之後才因為中心核原料用盡,無法再維持穩定結構,而結束恆星的一生。

圖五:太陽表面黑子為磁場強烈之處,該處溫度較周圍氣體 來得低。

質量不同的恆星, 其中央核反應不同、結構不同,傳遞能量的方式也不一樣。類似太陽這樣的低質量恆星,其核心產生的能量以輻射方式向外傳遞,在半徑約30%處,改成主要以對流傳遞,將能量大量傳出,直到表層向四面八方輻射。跟前面提到的地球磁場原理類似,太陽自轉與對流作用,加上導電流體而產生磁場。太陽體積雖是地球百萬倍,但平均磁場強度卻相當於電冰箱門所用的磁鐵,大約50 高斯。

當太陽活動較弱的時候,磁力線分布有如磁鐵棒一般,分成南北兩極。然而當自轉持續進行,磁力線開始捲繞,逐漸出現水平方向,部分會浮出大氣層,這些磁力線集中、浮出大氣層之處,磁場強度高達數千高斯,多了磁力支撐,該地氣體壓力較低,仍可維持靜力平衡。由於氣體壓力與溫度成正比,因此磁力強的區域溫度便較低,大約攝氏4000多度,與周圍6000度相比,因此顯得較暗,這就是太陽黑子。它們總是成對出現,分別是磁兩極,其位置隨著太陽的自轉而改變。

太陽活動週期為11 年,開始時太陽活動弱,黑子數目少,噴發出來的物質規模小,日冕比較不明顯。隨著自轉,磁力線捲繞,水平方向的磁力線越來越多,而且越發擁擠,黑子個數增加,且逐漸出現在太陽赤道附近,這是太陽極大期,磁力線重組造成磁暴,表面噴發出大量高速帶電物質,衝向太空。之後磁極逆轉,開始另外11 年循環。所以太陽的磁場方向會逆轉,整個磁場週期為22 年。因此研究太陽磁極如何在短短11 年當中逆轉,尤其在過程中磁場的結構變化,可提供很多有關地磁逆轉的訊息。

這幾年的黑子異常,倒不在於太陽過度活躍,反而是黑子數目創低紀錄。例如2007到2009 年間,黑子個數未如預期開始增加。事實上在2008 年的366 天當中,有266天,也就是73%,太陽表面沒有任何黑子。黑子數一直到2009 下半年才開始明顯增加,到2011 年春天,每天大約有數十個黑子,但是整體黑子數(包括極大與極小)仍然偏少。

有些科學家統計出黑子平均數目越少,也就是太陽越不活躍,地球大氣蒸發越和緩,導致雨量減少、作物欠收、沙塵暴與森林火災頻繁,進一步影響了全球經濟。科學家認為從16 世紀中到19 世紀中,地球發生小冰河期,尤其介於1645到1717年間,雖然不是真正冰河期,但地表的確溫度偏低,可以從那段時期的藝術作品中找到很多證據。造成這個現象的其中一個可能原因,就是太陽活動偏弱,這可以從當時太陽黑子數目少看得出來。值得一提是這段時期,中國歷史上北方外族不斷侵入,部分原因可能就是氣候太冷所致。

太陽是太陽系主要能量來源,其活動當然影響到地球。太陽表面一旦局部發生爆發,氣體挾帶巨大能量從表面噴出,以每秒數百公里的速度向外噴射,這個速度相當於時速百萬公里。這些高速氣體於2 、3 天後抵達地球,而太陽表面產生的閃焰光線則以每秒30 萬公里的速率,只花了8 分20 秒就率先到達地球。來自太陽的高速帶電粒子具有很大破壞力,因此太空船必須要有完善遮蔽,以保護太空人及儀器。地球表面因為受到大氣層與磁場的保護,以致這些粒子無法大量直接侵襲地表。

圖六:太陽表層在赤道自轉較快,磁力線跟著運動,使得原本南北向的某磁力 線,後來纏繞如毛線球般,右下方內圖顯示磁力線穿出大氣層,出現黑子群。

地球的直徑約為1 萬3000 公里,太陽的直徑約為140萬公里,地球與太陽之間的距離則為1 億5000 萬公里。如果把地球比喻成籃球,那麼太陽有如在3.5公里之外的一棟10 層大樓。和地球相比,太陽的確有如龐然大物, 2012~2014 太陽極大期所產生的局部爆發,對太空環境絕對有很大影響,歷史上也發生過大規模太陽爆發,連地面都受到波及,例如1859年9月1日俗稱的「卡靈頓閃焰」(Carrington flare)是過去450年來最大的爆發事件。科學家以太陽閃焰釋放的最大能量來分類,其中A、B、C等級規模小,對地球幾乎完全沒有影響, M 等級規模稍大, X 等級則規模更大;其中每個等級又以數字細分,數字越大,規模也越大。1989年3月10日,科學家觀測到太陽表面發生大規模閃焰,在幾分鐘內則看到巨量氣體噴發而出。閃焰以光速抵達,γ(迦瑪)射線充斥在地球大氣,游離出大量電子,導致電波通訊受阻。太陽噴發出的物質於12 日抵達,造成炫麗的極光,連低緯度也看得到。整個大地充滿電流,終於在13 日凌晨造成加拿大魁北克全區停電,美國東岸也受到影響。太空中的人造衛星,包括太空梭,也都受到波及。類似這樣的事件,提醒我們關注天氣不僅止於大氣中的颱風或鋒面,而應該包括太空天氣。

圖七:過去400 年的太陽黑子數目統計

太陽磁暴對我們絕對會造成影響,大規模爆發可能造成電訊中斷,甚至大區域停電。在太陽即將逐漸開始活躍之際,對於這樣的威脅我們必須提高警覺。但是目前沒有證據顯示,太陽會發生超級磁暴,造成全球滅亡。如果問科學家2012 年太陽是否會發生超級磁暴,他們不會有答案,因為雖然知道太陽將進入活躍期,但是無法預測何時會發生爆發,規模會如何。地震的情形也是一樣,科學家孜孜不倦探討地球內部結構,了解地震原因,但還有很多詳細結構不清楚,因此還無法準確預測地震。要說某些人可以拿幾張圖表就說出下個大地震發生的地點與時間,這實在沒有道理。

電視名嘴現象

台灣電視上的名嘴真是奇特現象。其他國家電視節目也會找專家學者來解說,但是像台灣這些全能名嘴,尤其個人專長不同,但是任何話題總能侃侃而談,實在不可思議。其實這些名嘴有些本來就是記者,而現在也扮演了記者原來該有的角色,也就是查證新聞正確性,以及提供背景知識。從這個角度來看,名嘴功不可沒,他們針對有新聞性的話題,藉由網路與書籍做足功課,然後藉由良好口才,讓觀眾輕鬆取得整理過的資訊,補充白天新聞報導深度不足之處,是台灣補習文化又一案例。關鍵在於正確性,歷史學家在自己豐富的資料與知識內遊走,聽起來趣味盎然,說起太陽風暴,要是談到史料當中有關環境變遷的證據,戰爭與飢荒與太陽活動的關係,一定會是很好的話題,但要同樣這些人談論磁場重組、地球與銀河中心和黑洞排成一列,暗物質、暗能量這樣的題目,就很難有說服力了。

具有科學背景的學者在這波名嘴風潮最需要檢討。討論本科內的話題,他們當然游刃有餘,但出了本身專長,談起來難免捉襟見肘,錯誤連篇,嚴重誤導觀眾;真正的學者應該明白,要是在學術界,任何一項錯誤,大概早就斷送學術生涯了。學有專精的科學家被問到類似的題目,總滴水不漏地回答說目前還不知道,或是事情還沒有定論云云。民眾下了班,打開電視,沒有興致收聽嚴肅又沒有答案的東西,因此雖然知道節目胡扯,收視率卻能居高不下。解決之道之一就是科學家訓練說故事的能力,自己洗出一副完整的牌,讓謬論無所存在,說說已經知道了哪些事情,用簡單的語言、比喻,讓我們體會大自然可以理解的一面,然後帶領我們欣賞未知世界更迷人的一面。

參考資料

  1. [skeptic] 2012 and Counting by Dr. David Morrison
  2. 《中國大百科全書──天文學》,錦繡出版社,1994 年。
  3. The Great Magnet, the Earth
  4. 陳文屏教授
本文發表於 科學月刊 第四十三卷第一期

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