第3章 移动的南北极
世界转动,此点不动。
——艾略特(T. S. Eliot),《焚毁的诺顿》(Burnt Norton ),1935
1分钟10厘米。
你大概认为这太慢了,但没有任何自然界的运动比“南北极正在位移”这则新闻标题更能引发恐慌,这是新世纪派惊悚文学与主流科学结合体式的新闻。有些嫌高血压还不够他担心的人害怕我们可能濒临全球性灾难,祸端根本不在天际星辰,却是在我们的大地之母。
成为邻里间的极地移动知识专家,既简单又有趣,只有几件事要学。其中一项事实,也是基础知识,我们四年级上地球科学课时就已经学到了。这项知识是:我们的地球有两组南北极。两组之间毫无相似之处。两组都一直在运动,但效应截然不同。
一直在疯狂运动、速度前所未见且引发“这是什么意思”的种种焦虑——这组南北极是磁极。但我们先来谈谈与它们相似的地极。
地极是地球旋轴与地表相交之处,是经线汇聚成一个针孔般小点的地方,位置就在北纬90度与南纬90度。这两个极点是绝无仅有的无经度之地。北边那个位置便是圣诞老人住的地方。当你站在北极,你踏出的每一个方向、任何一步,都是向南。其他方向都没有意义,你可以把你车上的GPS关了。
在南北极,也只有在南北极,你才不会被地球带着转。
如果你住在赤道,你随着地球转动,以每小时1670千米向东飞驰,这个速度几乎不因你移动而改变。往北5度,或是560千米,旋转的时速少了无关紧要的6.5千米。但接下来的560千米让时速降低了19千米。等你到了布鲁克林,移动的速度只有每小时1280千米,而再往北560千米会让你再慢96.5千米时速,开始低于声速了。
(你在地球上的哪里会刚好以声速转动呢?纽约的伍德斯托克悠闲的嬉皮之地,依然是热衷音乐之地。谁说反讽不是处处有呢?)[1]地球在高纬度减速之快,没多久便一发不可收拾。美国阿拉斯加州的费尔班克斯(Fairbanks)仅以每小时680千米的速度在旋转,在北极是零。你几乎就是动也不动地站在那儿,像个白痴一样,转得太慢,谁都没发觉,12小时后则面向相反的方向。
因为90%的人住在北半球,让我们屈服于“北半球偏见”,向我们的澳大利亚的、新西兰的、南非的和南美的朋友们说声抱歉,为求简明扼要,把焦点放在北极。不管从哪里出发,你直直朝着正北就到得了那儿——驯鹿不住那儿,没有人住那儿。北极位于北极海里,北极海原本随时都会结冻,但现在到了小孩放假在家的夏天就成了开放水域。
成为第一个到达该地点的人曾是你所能做到的最有声望的事。这要是在一个世纪前,你马上会成为名人。问题是,与外界没有通信,而且1600千米内渺无人烟,你,还有被你游说到愿意同行的不管是谁,一切都要靠你们自己。即便你不知怎样打通皇家地理学会的求救专线、找到小房间里一个有血有肉的人,可以想象他们会被你的问题吓成什么样子。
“嗯,记得毕尔德利吗?他好像困在距冰岛西北方3200千米的冰块里。想知道我们是不是可以派个人去把他接过来。对,现在就去。”
哈德逊(Henry Hudson,c. 1565—1611)发现了后来沙林博格(Sully Sullenberger)迫降的那条河之后,渴望进行更多的探险,并于1607年来到离北极不到1100千米处。 [2] 这在那个年代是一项惊人的成就。(1611年春天,为了继续寻找传说中通往中国的西北航道所进行的极地远征途中,他的船员叛变,把哈德逊、他十几岁的儿子和其他几个人放到一艘无遮蔽的船上,进了我们今天所说的“哈德逊湾”,再也没人看见过他们。)在接下来的两个世纪里,有几个俄国和英国的探险家设法要再往前靠近个几英里,但进展不大。19世纪后期,这项竞赛的热度升高——如果热度这个字眼用得还算对的话——美国的洛克伍德(JamesBooth Lockwood)和他的雪橇队走得比他之前的任何一个人都更北边。他死于1884年4月、悲惨的3年远征途中,在救援队抵达的两个月前,享年31岁。他到达北纬83度24分30秒,离目的地只剩725千米。
两年后,姓氏同韵的挪威探险家南森(Fridtjof Nansen)和约翰森(Fredrik Hjalmar Johansen),离开有如被桌钳夹死在北极海盆浮冰中的探险船“前进号”(Fram),靠着滑雪板和狗拉雪橇到达了北纬86度14分。他们只剩320千米,却被迫停下来。
终于在1909年4月6日,美国人皮尔里(Robert Peary)到达了北极,他是靠狗拉雪橇成功的。仅仅两年后,1911年12月,南极被挪威人阿蒙森(Roald Amundsen)的远征队征服。一个月后,可怜的史考特(Brit Robert Scott)抵达南极:他这趟颜面扫地的探险不只没能让他率先抵达,还赔上整队人的性命,因为残酷的噩运让他们撞上了十年来最寒冷的天气。
探险家们所到达的极地并非固定之地。虽然地理极在两种类型的极地中向来稳重(疯子般一直动来动去的是磁极),但它的确会前后位移。它移动得不多,每年只偏离平均位置大约12米,最大移动量只比30米多一点点。然而,因为天文和大地测量,地契和丈量地图更不用说了,都是以经纬线系统为基础——就是地图和海图上那些水平线和垂直线,用来精确定位地球上的每一个池塘、住家和废车场——也因为极移使这些定位数值些微失真,所以这些变异备受注意并受到持续监控。
为了取得两极运动的精确信息,国际纬度服务(InternationalLatitude Service,ILS)在1899年成立,1961年更名为国际极移服务(International Polar Motion Service,IPMS),如今由国际地球自转服务(International Earth Rotation Service,IERS)接手继续进行研究。你想知道我们的地球怎么了吗?他们会告诉你。这个服务组织的各个分部致力于持续观测纬度改变(还有自转中断和其他许多鲜为人知的事项),还会随时更新地理极的精确坐标。这是一个严肃正经的组织,如果南北极出乎意料地位移0.3米,他们的成员会抓着电话说:“你坐稳了吗?你一定不会相信!”就像他们在某些重大事件如海啸之后会做的那样。
地理极,或物理极,只是随着特别剧烈、导致我们这颗旋转星球质量重新分配的地震“跳一跳”。比较常见的情形是,两极运动只包含两种变动流畅的部分。有一种循环式位移叫作钱德勒摆动(Chandler wobble),每433天或1.2年完成一个周期,还有一种似乎随机前后移动的年度式运动。年度式的部分年年不同,不过每次都不超过15米。
为什么地球会这样?几个世纪来,各种理论来来去去,没有一个有坚实的证据。曾有一个概念最受支持:地球的椭圆形公转轨道使得1月的太阳重力比7月强。如今我们认为,这是由冰与气团的季节性再分配造成的。
那么钱德勒摆动呢?这一行星回转现象因被美国人钱德勒(SethChandler)于1891年发现而得名,并终于在110年后的2001年获得解释。喷射推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)的葛罗斯(Richard Gross)利用计算机仿真做出具说服力的分析,证明433天或1.2年的摆动大多源自温度与盐浓度变动所导致的海床压力变化。盐移动了南北极!其他的钱德勒摆动则导因于大气波动。
地理极(也就是我们所知的物理极或自转极)从来没有显著位移过,至少从40亿年前月球创生以后没有过,而且也永远不会。你用20秒就能走完极点位置的最大变动距离。
显然,当人们带着恐惧谈到极移时,他们指的不会是地理极。事实上,大多数老百姓甚至不知道是哪个极害他们忧心忡忡。上次的地球科学课距今天已经过去太多年了。如果你问他们:“你指的是哪个极——地理极或磁极?”你得到的很可能是一脸茫然。
地理极要是突然来个大位移,可能会引发全球毁灭,但这种事从来没发生过,从物理上讲也不可能,所以说到这就够了。
接下来要谈的南北极,不只是像我岳母找停车位那样,绕着圈圈游荡个几十英尺 [3] 。我们现在说的是能动的极点。
这就是罗盘所指的地方。
地表下4800千米的液态铁,绕着端坐地球中心、橄榄核般的固态铁球晃荡移动,产生出相当微弱的磁场(我们地球磁场的磁力大小平均约0.5高斯。做个比较,冰箱的强力磁铁是100高斯)。即使把细长磁盘摆在针尖上平衡,以便最轻微的撩拨也能使之旋转,也只能虚弱无力地向北看齐。我们这颗行星的磁力不怎么带劲——比如说,它比不上木星的磁力。
下面是只有大学物理教授才知道的一点点奥秘:地球的磁南极位在遥远的北方(磁南极是磁场线向下朝地心而去的那个极点)。但为了让我们的老百姓保持常规、快乐、不受混淆的状态,我们把这个极点称为“磁北极”,我对此并无异议。这个极点位于北方,凭这一点就够格挂上这块名牌。
小时候,我们把铁屑撒在纸上,下面放一块磁铁,便会看到磁场弯弯曲曲的特殊形状。同样地,地球的磁场线水平越过大半个地球,然后在北极直线下降。所以,磁极就是磁场线排列成垂直上下的地方。但你不必费力想象磁力弯进地底的画面,有一种更简单的方式可以找出那个“垂直场线”的位置:罗盘会指向那儿。
磁北极位于何处很重要吗?也不是真的那么重要。极光环绕该处形成绿色光环,很美。费尔班克斯的人要是看到极光迁移得太远,会很遗憾。但除此之外,极光位移不影响任何人和事物。
而且极光位移还有好处。虽然最晚从伽利略和莎士比亚之前的年代开始,磁北极就位于加拿大领土内,但它一直在移动,目前坐落于距离自转极800千米处。至少从英语听起来像现代人耳朵能听得懂的东西以来,这两个互争正统的极点——地理极和磁极——就没这么靠近过。
其实在17世纪和18世纪期间,磁北极是往南漂移的,直到它落脚于北纬69度,勉勉强强算是在北极圈之内。接下来它开始往北走。
1831年,英国探险家罗斯(James Clark Ross,1800—1862)最先发现磁北极位于加拿大北极群岛中最北的岛屿埃尔斯米尔岛(EllesmereIsland)。一个世纪前,磁北极的向北运动开始加速,而且从每年8千米增加到60千米,令人费解。如今,磁北极在全球第十大岛埃尔斯米尔的正西方,岛上只有140个爱好冬季运动的人住在那儿,其中大部分人隶属加拿大军方。他们喜欢夸耀自己是世界上最北的一群人。
上个世纪,磁北极朝着几乎是正北方急行1046多千米,因此现在正要通过北纬84度,移动的速度是每小时6.7米。
磁北极最近跨越埃尔斯米尔的320千米疆界,这意味着磁北极不再属于加拿大人。磁北极原本是他们名闻遐迩的原因之一,他们因这样的发展而感到难过。他们先是经历了枫糖浆收成不佳的一年,现在又这样。
如果极点继续往目前的方向走,就会在今天的青少年开始要弄掉自己身上的刺青时——大概是本世纪中叶,直冲过北极海,然后从另一边往下进入西伯利亚。
佛教人平等舍心——我们应该对一切事物都不要有意见。嗯?有谁应该关心这档子事吗?这些极点是原地不动或狂奔到新地点,有什么关系?下面是有些人真的很在乎的这件事的理由。
地球的整个磁场,平均每一百万年会有两三次极性反转。换言之,如果你活在一百万年前,手里拿着罗盘面朝我们今天所说的北方,指针会指向南方。即便如此,你和我甚至感觉不到地球的磁力,大部分的动物也都不行。 [4]“极点翻转”的想法听起来既夸张又令人忧心忡忡,但其实背后的科学非常酷。
我们是从1959年之后才知道磁性反转。磁性反转一开始不容易被侦测,因为在过去的78万年里一次也没有。结果,当含有亚铁磁性矿物质的熔岩凝固时,其中的铁质微粒顺着地球当时占优势的磁场进行排列。熔岩一冷却到低于768摄氏度的居里温度(Curietemperature),就会出现这种情形。 [5] 所以,我们可以把这些岩石当成小说来读。
研究人员越挖越深,兴奋地翻动历史书页。这里有一次反转,还有这里、这里,直到他们在过去的8300万年里挖出了184次极性反转。
这些极点翻转是某种怪异的新运动循环。而你也知道我们人类有多爱模式,并且爱尝试看不同模式是否同步协调。如果把它当成圣诞节,这类节奏就像是绑上彩带、绝妙的拼图玩具。
但当我们拆开每一个“玩具”的包装,就变得越来越清楚:极点是随机反转的。没有节奏或理由,没有模式。运用放射定年法,我们发现南北极平均每45万年便会改变一次位置,但有时会快速翻转。在将近200万年前,仅仅100万年内就有5次反转。在另一时期,300万年当中有17次反转。岩石记录甚至显示有一个例子是5万年内翻转2次。
每一个地磁周期称为1时(chron)。“时”与“时”之间有过渡阶段:新极性的确立要花上一万年到十万年。与今天的妄想式新闻报道恰恰相反,磁极反转从来都不是用你喝一杯拿铁的时间就能展现的东西。假设在末次冰盛期开始某次极点反转,当时纽约中央公园还沉没在1.6千米厚的冰下,那么这次反转到今天仍未完全确立。
研究人员也发现了两三次的超时(superchron),同样的磁性排列持续超过1000万年。白垩超时持续了4000万年,更早的一次持续了5000万年。 [6] 至于其成因,大家就各自猜测了。谁能弄清楚地表下2900千米、液态外核的起始处到底在进行些什么?地震回波分析提供一幅地球内部分层的粗略图像,我们只能期望在未来经过仔细修改后,会让我们了解磁场如何、何时产生与反转。有一件事是确定的:
无数吨流动液态铁的宏大模式要为此负责,而且它们有自己的自然赋动作用。这些反转确定与陨石大撞击、海平面波动或我们所能发现的其他零星的全球事件无关,也与我们这颗行星的公转轨道位移或自转轴倾变动并不吻合,如果是这两者,因其循复发生且可预测,应该会导致规律而非随机的极移。
真正相关的是在此过程中的地球磁层状态。要是我们的磁场暂时消失会怎样?它不就是我们对抗宇宙辐射的防护罩吗?要是这样的话,地球上的生物会不会被烤干了,然后害我们身染如野马脱缰般的异变和癌症?这一直是某些过度兴奋的圈子里近似歇斯底里症盛行的基础。
科学的答案是:不会有问题。如果这些反转真的有害,反转期会与大灭绝时期吻合。这种情形不会出现。化石记录显示,极点翻转从未对生物圈产生影响。那些反转期也不是新生命形式突然出现的时期,演化并未在那些“时”间期(interchron period)受到激发。
最近有些比较安定人心的消息。在反转试图确立的那几个世纪里,我们的磁场似乎并未消失,而是有许多新的磁极毫无规律地来来去去,我们的磁场样貌改变了,但好歹算是维持完整。
不管怎么样,分析显示,即使没有磁层,我们的大气层还是阻挡了大部分的入侵辐射。我们损失的只是保护层的表皮。这就像专业地毯清洁——蛮好,但不是真的很需要。
上次极性反转至今已过去78万年了——这是很长的一段时间。无论极点翻转与否,这些年月对我们哺乳类来说是美好的年代。就长期平均值而言,我们有点逾时了,但比起那次5000万年的不中断纪录,我们还差得远呢。而且翻转过程一旦启动,有可能会持续1000个世纪。
磁极翻转真的已经启动了吗?有一件事很怪,就是我们的全球磁场从1850年以来已经减弱10%,而且两极的位置确实变动得非常快速。
有些人从我们周遭所显现的无数物理事件看出意义——通常是令人生畏的意义——但与这些人所信以为真的相反,没有人真的知道这些改变是否预兆了什么。或许,地球磁力一直上下波动,而磁场减弱10%这种事再正常不过了。又或许两极位移就是有时快、有时慢。我们这个时期是不是异常时期,是没办法知道的。
即使磁极反转真的发生了,如果不运用测量设备,你也绝对没办法分辨自己是不是处在磁极反转的“时”间时期。或许有些鸽子会飞得晕头转向,但也就那样了。
加拿大北地部队指挥官库彻里耶上校(Colonel NormCouturier)是负责保护加拿大极地主权的人,他在2005年就磁北极四处乱窜一事接受了《埃德蒙顿新闻报》(Edmonton Journal )采访。
“那是一种我们现有装备无法处理的自然力量。”他开玩笑地说。
承认如果失去极地会很难过的库彻里耶指出,这件事也有光明的一面:随着极地离加拿大而去,加拿大人比较不用负责照顾那些准备不周、半疯狂地冒险滑雪前往磁北极的探险者。
“这大概意味着我们所要筹划的救援任务会变少,”他说,“以前极地在加拿大疆域内,每年我们都得去援助或治疗某个拼命要到那儿去的人。既然现在是在国际水域上,我们的压力减轻了一点。”
你听到了吧,有些人因极地到处乱跑而开心着呢。
[1] 声速有一项限制条款:会随温度而改变其速度。不是压力或海拔高度,只有温度。
例如,本书从头到尾提到的声速都是每小时1236千米,但只有在室温或20摄氏度是如此。声音的运动在冰点0摄氏度显著较慢,只有每小时1193千米。在22摄氏度以每小时1240千米、在24摄氏度以每小时1245千米疾驰,而当27摄氏度时,则为每小时1250千米。
[2] 哈德逊为英国航海探险家,以寻找西北航道闻名,成功探勘哈德逊河、哈德逊湾等地;2009年,沙林博格成功将引擎发生故障的客机迫降在哈德逊河面上,全机生还。——译者注
[3] 英语国家中,古代和现代各种以人脚长度为依据的长度计量单位,1英尺=0.3048米。
[4] 尽管大多数动物都对地球磁场“盲目”,但行为研究已经证明,确实有某些动物可以感觉得到。这其中包括海龟、魟、蝠鲼、信鸽、候鸟、蜜蜂、鲑鱼、鲨鱼和鲔鱼。研究人员发现,这些生物的神经系统全都含有磁铁。这些小小的、天然产生的类磁晶体会顺着磁场方向排列,像微型罗盘指针一般作动。这类晶体无疑是关键的生物学要素,让某些动物得以感觉到地球磁场并借以导航。
[5] 居里温度为磁性材料的磁性转变点。低于该温度时成为铁磁体,磁体的磁场方向很难改变;高于该温度则成为顺磁体,磁体的磁场方向很容易随周围磁场改变。——译者注
[6] 只有我这样觉得吗?还是白垩超时这个词听起来就有不可思议的酷?我一有机会便用这个词,即使时机并不恰当。然后人们会问我那是什么意思,就让我有理由再说一次。
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