【地球科學：洞見地磁倒轉乾坤】*科學人雜誌*2019年4月號
撰文／沈川洲、周祐民、影像來源：沈川洲
已有上萬年歷史的鐘乳石洞內，蘊藏了地球的秘密。過去地質記錄顯示，地磁極倒轉約需千年，現在科學家勇闖深黑岩洞，從含磁性礦物的稀有石筍中發現，地磁極曾在百年內快速倒轉！
早在2000年前，人類就知道磁石可以指示南北方位；指南針的發明成就了跨洋航海，開拓新大陸，促使文明大躍進。然而到了16世紀，英國科學家吉伯特（William Gilbert）才首次有系統地研究地球磁場；20世紀初期，地磁學突然百家齊鳴、進展飛躍。
1920年代，科學家首次在岩石中發現地磁極倒轉事件。經過數十年研究，已知在地球歷史中，地磁曾漂移，甚至倒轉，但關於漂移的詳細過程、倒轉的速度和週期，百年來不明所以。主要是因為地表觀測資料僅有400年，衛星資料更是只有數十年，無法全面了解地磁漂移的趨勢與機制。2005年，《科學》期刊在125年紀念特刊中，即把地磁極倒轉的過程與機制列為125項未解的重大科學難題之一。
發現地層裡的烏龍倒轉
綜合數百年來的地質資料分析結果，學界普遍認為地磁極倒轉大約需要1000年或更久。近幾十年來，屢屢有地磁極快速倒轉的研究發表，但後來又發現資料錯誤。
例如現已退休的美國加州大學聖克魯茲分校榮譽教授寇伊（Robert Coe）在1995年的《自然》期刊發表一項令學界震驚的研究。該團隊在俄勒岡州的史汀斯山（Steens Mountain）熔岩流中發現1620萬年前的一次地磁極急速漂移記錄：10天內移動了緯度60度，也就是地磁極位置以平均時速25公里在地表移動，每天漂移600公里！但在20年後，2014年8月，原作者發現先前的研究結果其實是岩石標本受後來熱作用影響而重新磁化，形成偽地磁資料，也就是說，千萬年前的急速地磁極漂移事件並非事實。
無獨有偶，寇伊澄清後不久，義大利、巴西與美國組成的團隊在同年11月的《國際地球物理期刊》也發表了一項號稱改寫教科書的地磁快速變化研究。該團隊分析義大利中部湖泊沉積物的古地磁資料，並以放射性絕對定年法推估沉積物中火山灰層的沉積速率，發現了77萬年前距今最近一次的地磁極大倒轉，僅歷時95年或更短。但往後數年，數個團隊分別發現，這片湖泊沉積物是受到化學風化作用影響，導致標本重新磁化。
這些例子明白指出，適當的地質標本雖可記錄遠古地磁變化，但經歷千萬年的漫長歲月，原本訊號往往已變質失真，科學家容易解讀錯誤。迄今，對於地磁極能否在百年內快速倒轉？學界尚無直接證據，癥結在於地質材料本身的限制。而沉積在石灰岩洞裡的石筍，可以提供原始古地磁連續記錄，成為古地磁研究的新希望。
地磁遠征軍挑戰不可能任務
1979年古地磁學家首次使用石筍做為研究材料。但由於石筍成份主要是碳酸鹽類，磁性礦物含量稀少，再者，古地磁訊號微弱，強度大約是相同體積火成岩的百萬分之一到千萬分之一，儀器難以測得，即使重建記錄，解析度也相當粗糙，因此石筍很少應用於古地磁研究。近年來，磁學儀器的靈敏度和定年技術不斷提升，推動了石筍應用於古地磁學，然而，關鍵瓶頸仍是尋找到足夠的磁性礦物含量，這猶如大海撈針。
本文作者沈川洲在2001年返台，積極召募團隊執行一項「尚未行動就註定空手而歸」的任務。2004年，來自國內外各路英雄豪傑組成的地磁遠征軍，懷抱夢想，展開了漫長的全球洞穴探索行動。任務目標明確，也就是尋找含磁性礦物的石筍，然而目的地不明，因為根本不知道這種稀有石筍到底在世界何方。但可以肯定的是──沒有行動就沒有希望，唯有不斷追尋，夢想才有機會成真。
我們從東亞和太平洋啟程，搜尋足跡踏過中國各地、東北亞的日本、東南亞的越南、泰國、菲律賓，往南跨越赤道，最遠到達東帝汶；往西，從歐亞洲交界的土耳其為起點，遍尋南歐的地中海國家，包括義大利、摩洛哥、法國，再到臨大西洋的西班牙，轉向往北，深入中歐的奧地利、匈牙利、斯洛伐克；最後挺進北非，深入突尼西亞。
探索大半個地球，輾轉好幾個酷暑寒冬，翻越崇山峻嶺，終於在2011年，曙光乍現。團隊成員之一的中國福建師範大學地理科學學院教授姜修洋，在華南地區長期執行亞洲季風研究計畫，他在該年11月第三次探勘貴州三星洞時，採集了幾株石筍，回到實驗室切開一看，標本色澤並非一般碳酸鈣的白色，而是呈現深褐色，估計鐵含量應該不少。
本文另一位作者周祐民也是團隊成員，當時在台灣師範大學地球科學系擔任博士後研究員。2012年，周祐民帶了一些三星洞的小塊石筍標本到中國科學院地質與地球物理研究所磁學實驗室，與劉青松教授合作，測量後驚喜發現，雖然磁性非常微弱，強度僅是相同體積火成岩的百萬分之一，但已經可以使用最先進的儀器進行分析。隨後在新竹國家同步輻射研究中心利用高解析穿透式X射線顯微鏡，鑑定出這些碎屑磁性礦物主要為磁鐵礦，可記錄過去的地磁變化。
最後我們團隊選擇了一株長約一公尺、直徑約八公分的石筍標本（參見右頁〈岩石潛藏的真假玄機〉），在2013年進行初步地磁分析，之後隨即向國家科學委員會（現科技部）提出「歐亞氣候與地磁研究卓越領航計畫」子計畫。計畫審查時，審議委員都認為，此項任務艱鉅且測量技術受限，很可能以失敗收場，但因頗具創新與前瞻思維，我們幸運獲得補助。
專業、努力，成就好運
我們團隊自2014年8月在台北、貴州、北京展開研究工作：在貴州石灰岩洞進行地質調查；在台北使用領先世界的鈾釷定年技術，取得石筍不同沉積層的絕對年代；在北京中科院使用低溫超導測磁儀測量古地磁記錄。最後取得180筆古地磁資料以及70個定年點，前後總共歷時五年（2012~2017年）。
這項最初不被看好的研究，在團隊多年來的努力下，終獲成果。分析結果顯示，這株石筍的沉積年代在10萬7000~9萬1000年前，形成於地球磁場非常微弱的時段裡，對應現今地磁強度也正持續減弱，這株石筍的古地磁記錄可能反映出即將到來的變化。這個10萬年前的地磁記錄，史無前例呈現出地磁百年到千年尺度的週期變化，時間解析度達數十年，更令人驚訝的是，這株石筍還記錄了一次珍貴的百年地磁極快速倒轉過程（參見65頁圖）。這些研究成果，在去年8月發表於《美國國家科學院學報》（PNAS）。
研究發現，10萬年前地球磁場微弱且不穩定，不斷發生相似性高、為期數百到數千年的不對稱性地磁極南北漂移模式。我們團隊稱此現象為「周氏振盪」（Chou Oscillation），除了是以第一作者周祐民姓氏為名，沈川洲的英文譯名中剛好也有Chou這個字。
我們重建的地磁記錄可分為前半段的10萬7000~10萬1000年前（PB1）以及後半段的9萬9000~9萬1000年前（PB2）。在地球磁場逐漸減弱的PB1期間，振盪週期較短，達幾百年，磁北極漂移的軌跡都在北半球；在PB2期間，地球磁場從谷底反彈增強後，振盪週期卻延長到1000~2000年，且振幅變大，磁北極漂移的軌跡分佈在南北半球間。
本研究是科學史上首次揭露地磁漂移的細節。首先，地磁極僅在百年到數百年間就從正向（現今地磁的南北方向）快速倒轉到反向；隨後立即反彈，但並非完全轉回正向，而是先轉到中低緯度區域，歷經數百到數千年才慢慢轉回高緯度的原正向位置。值得一提的是，9萬8000年前，地磁極僅需144±58年，即可從正向完全倒轉到反向。我們的研究顯示，地磁極倒轉可以比過去估計的1000年快上10倍。
地磁漂移的可能衝擊
地球磁場可使太陽風（從太陽輻射出的高速帶電粒子流）與帶電宇宙射線粒子偏轉、遠離地球，像一面隱形盾牌保護大氣層免於受高速帶電粒子直接撞擊，同時阻隔生物受有害射線影響，是維持地球生物蓬勃發展重要的一環。
假如未來發生了地磁極在百年內快速倒轉，磁北極會先從北半球高緯度地區漂向低緯度，再漂往南半球高緯度地區。而我們團隊的研究顯示，在PB2期間，地磁極曾在9萬8000~9萬6000年以及9萬5000~9萬2000年前滯留在低緯區長達1000~2000年。假如未來發生這種情況，雖然熱帶與亞熱帶地區的夜晚會很漂亮，極光滿天；但太陽風可長驅直入，穿過大氣層直擊地表，全球大氣結構與水文氣候都將改變。除了衝擊現代文明，生物圈也將大受影響，候鳥、鮭魚等許多具感應磁場能力並仰賴地磁引導遷徙的生物，可能因此方向錯亂，找不到回家的路、飛不到該去的地方，生態系統將產生劇變。
周氏振盪與地磁極百年倒轉的研究掀開了地磁漂移過程的神秘面紗，此研究成果是了解地磁極為何會倒轉的重要一步，但許多新的問題也接踵而來。
首先，目前貴州三星洞的石筍資料是唯一的高精密地磁記錄，需要有更多石筍記錄來佐證其分析結果。再者，雖然已知地磁漂移與地球內部動力產生地球磁場的驅動作用有關，但真正機制有待釐清。而首次發現的不對稱性周氏振盪在地球歷史中是普遍存在，還是僅發生在10萬年前的一個特例？地磁極百年倒轉是最快的速度，還是有更快速的倒轉事件存在呢？
最後，現代地磁記錄顯示，自1990年代以來磁北極從北緯70°的加拿大努納武特（Nunavut）一直往北漂，今年已來到北極附近，共漂移了約2160公里，平均每年漂移74公里，假如這樣的模式持續不變，預期50年後磁北極將會越過地理北極，南移到北緯55°的西伯利亞貝加爾湖（Lake Baikal）。我們團隊的高解析石筍記錄顯示，這種漂移在地球歷史上是常態；但現代觀測結果是否也暗示著，現今地磁極持續往特定方向移動預告了下一次地磁極倒轉即將發生？
本團隊的研究成果開啟了全新的未知領域，相信許多地球科學家會陸續投入相關研究，我們這群地磁遠征軍也會勇往直前、繼續努力。
【地磁倒轉在眼前 改變百年就發生】
2018-09-17 10:10*好讀周報*
地球磁場一旦倒轉，人類恐重返沒有網路的世界，全球局部生態也將受波及。原本科學界認為，地磁倒轉在千年內逐漸改變，台大地質系特聘教授沈川洲帶領的跨國團隊，日前首度揭露重大研究突破，發現地磁倒轉百年內就可能發生，比過去預估的速度快十倍，該成果已於20日刊登於《美國國家科學院院刊》。
地磁若改變 中緯度也有極光
參與研究的台大地質系兼任教授李德貴也說，若不考慮外界因素影響，推測下一次可能出現地磁倒轉，可能在1千多年後，許多人都看不到了。現在較需擔心的是，這期間是否會吸引隕石撞擊或改變潮汐運動，手機等電子設備因可能遭受侵害也需要防範。另外較特別的是，地磁改變後，未來不一定要跑到高緯度地區，中緯度地區也許有機會看見極光。
地磁的作用 阻隔輻射的傷害
地球磁場已存在幾十億年，可將太陽風與帶電宇宙射線粒子偏轉遠離地球，如一面隱形盾牌保護大氣層免於受破壞，同時也阻隔生物不受宇宙射線影響，是維持地球生命的關鍵因素。有科學家發現，地球磁場在過去150年已減弱10到15%，若再持續減弱，未來可能發生地磁倒轉。但速度多快、過程如何變化，迄今仍是未解之謎。
人在英國牛津大學訪問的沈川洲透過視訊連線解釋研究成果，他指出，以前科學界普遍認知，磁極完全倒轉應該需要1千年甚至更長時間，但新的研究顯示，磁極可能在百年內倒轉，遠比過去所估計的速度還快上10倍。研究中發現，9萬8千年前，地磁極僅需86到202年，就可從現今地球磁場的南北方向完全倒轉。
若快速倒轉 恐導致物種滅絕
沈川洲說，若發生地磁快速倒轉，將對生活有重大改變，磁北極從北半球高緯度地區飄向低緯度，然後再飄往南半球高緯度地區；過程中，當磁極處於低緯度時，從太陽輻射出的高速帶電粒子流將直接侵襲地球，破壞衛星、航空、通訊與電力系統，可能導致網路癱瘓，物種若無法適應可能導致滅絕。
這項成果是由科技部卓越領航計畫、教育部深耕計畫、台大前瞻領航計畫及永續地球尖端科學研究中心共同資助，合作單位包含大陸南方科技大學、國家同步輻射中心、大陸福州師範大學、健行科大、中科院地質所與澳洲國立大學等。
地球磁場
地球同時有兩種不同磁場及兩種運動，一種是南北向軸狀磁場，另一種是螺旋磁場，同時搭配地球自轉運動及地球液態核的對流運動，交互作用下形成了地球磁場。
台大地質系兼任教授李德貴指出，地磁倒轉是磁北極從北半球高緯度地區飄向低緯度，然後再飄向高緯度地區。若發生地磁快速倒轉，可能導致網路癱瘓，候鳥、鮭魚等具有感應磁能力的生物，可能會辨識錯亂，進而改變局部地球生態，大氣及水文氣候也可能產生變化。
【地球科學：地球磁場即將反轉？】*科學人雜誌2005年5月號*
撰文／格拉茲麥爾（Gary A. Glatzmaier）、歐爾森（Peter Olson）翻譯／傅宗玫
地球為什麼有磁場？磁場又為什麼會反轉？近來對於地球內部的相關研究，為下次的地磁反轉提供了新的線索。
大部份的人都認為，磁針會指向北方是理所當然的。數千年來，水手靠著地球的磁場來導航；而鳥類和其他能感應磁場的動物，則已經運用這個方法有更長一段時間了。然而奇怪的是，地球的磁極並不是一直都朝著現在所指的方向。
有些礦物可以記錄地球磁場的方向；根據它們的記錄所顯示，在地球45億年的歷史中，地磁的方向已經反覆南北倒轉了好幾百次。不過，在最近的78萬年內都未曾發生過倒轉──這比之前發生倒轉的平均間隔時間25萬年要長了許多。此外，地球的主要磁場自1830年首次測量至今，已經減弱了將近10％。這個速率相當於在失去能量來源的情況下，磁場自然消退速率的20倍。難道是，下一次的地磁反轉即將來臨？
利用電腦模擬的地球發電機，其磁力線顯示出，地球磁場在地核外的部份比在地核內部單純得多（地核內遍佈糾結的線條）。磁場主要由南極附近穿出地表（黃色長線），而在北極附近進入地表（藍色長線）。
地球物理學家很早就知道，地球磁場變化的原因深藏於地球中心。地球就如同太陽系裡的一些其他天體，是利用內部的發電機來產生磁場。基本上，地球發電生磁的機制就和普通發電機一樣，藉由某個部份運動的動能，產生電流和磁場。在一般的發電機裡，運動的部份是旋轉的線圈；而在行星或恆星裡，運動的則是導電的流體。在地球核心，有著體積相當於六個月球、處於熔融狀態的鐵，形成不斷環繞流動的汪洋，構成了所謂的地球發電機（geodynamo）。
地球內部清楚的分成幾個層次，包括液態的外核──該處的亂流對流形成了複雜的循環結構，進而產生地球磁場。
一直以來，科學家主要是靠著簡單的理論來解釋地球發電機和其神秘的磁力。但最近10年，研究人員發展出新的方法來探索地球發電機的詳細運作機制。人造衛星能清楚拍攝地表磁場的圖像；而利用超級電腦來模擬地球發電機，以及在實驗室裡建立的物理模型，則解釋了軌道上的觀測結果。這些工作，對於過去的磁極反轉提出了一套很有意思的解釋，更對下一次的反轉事件將如何展開，提供了新的線索。
驅動地球發電機
在我們開始探索磁場如何反轉之前，必須先瞭解，是什麼力量驅動著地球發電機。在1940年代前，物理學家便已明白，行星要能產生磁場，必須滿足三項基本條件；之後的發現都是建構在這個基礎上。第一要件，要有大量的導電流體──地球的外核為液態，且富含鐵質。這關鍵性的外核包覆著幾乎是由純鐵所組成的固態內核，深埋在厚重的地函與極薄的大陸、海洋地殼之下，距離地表的深度約2900公里。地殼和地函的重量，使地核內的平均壓力高達地表壓力的200萬倍。此外，地核的溫度也十分極端──約為5000℃，相當於太陽表面的溫度。
這些極端的環境條件，構成了行星發電機的第二要件：流體運動的能量來源。驅動地球發電機的能量，部份是熱能，部份是化學能──兩者都在地球核心深處造成浮力。就像一鍋在爐上燒著的湯一樣，地核底部比頂部熱。（地核的高溫來自地球形成時囚禁在中心的熱能。）因此地核底部那些較熱、密度較低的鐵會上升，就像熱湯裡的大氣泡那樣。當這些液體到達地核頂端，碰到上方的地函時，會喪失部份的熱。於是液態鐵會冷卻、密度變得比周圍環境高，因而下沉。這個透過流體的上升及下沉，將熱能由下往上傳送的過程，稱為熱對流。
現任職於美國加州大學洛杉磯分校的布拉金斯基（Stanislav Braginsky）曾於1960年代時指出，熱由地核的上部逃逸，同時也會使固態內核的體積增加，產生兩種額外的浮力來源，驅動對流：當液態鐵在固態內核的外緣凝固而形成晶體時，會釋放潛熱。這些熱可以加強熱浮力。此外，如硫化鐵和氧化鐵等密度較低的化合物被內核的晶體排出，上升通過外核，也會加強對流。
行星要產生能自我維持的磁場，還有第三個條件：旋轉。地球自轉造成科氏力效應，會使地核內上升的流體偏向，就像造成洋流及熱帶風暴被扭轉成在氣象衛星影像中常見的漩渦狀那樣。在地核中，科氏力使湧升的流體沿著像開酒瓶器的螺旋路線上升，彷彿順著彈簧的螺旋線圈移動。
地球擁有富含鐵的液態核心、有足夠的能量驅動對流，並具有科氏力可使對流的流體扭轉，這些是地球發電機之所以能自我維持數十億年的主要原因。但科學家需要更多證據來解釋令人困惑的問題，像是磁場的生成，以及為什麼磁極會隨時間而改變等。
流體在熔融的外核裡上升，將地核裡原本大致呈水準方向的磁力線向上推擠。這種對流的湧升，有時會使磁力線彎曲凸起。同時，地球的自轉驅使熔融的流體以螺旋形流動循環，將凸出的磁力線扭成小圈。如果湧升流的強度足以將小圈推出地核，便會在地核–地函交界面上，形成一對磁通量斑塊。
磁場分佈圖
過去五年裡，由於科學家終於能夠比對相隔20年所觀測到地球磁場的準確分佈，因而有了重大發現。1980年，磁場衛星（Magsat）測量了地球表面上的磁場；另一枚衛星厄斯特 （Oersted）則是在1999年起進行同樣的測量。假設地函的電流可以忽略，研究者可利用衛星觀測到的結果，以數學方法推算出磁場在地核頂部的分佈。地核內具有更為劇烈、複雜的磁場，而且也是磁場變動的真正發源處，但是研究人員可推算的極限是在地核–地函交界處；因為地核內的電流極強，因此無法直接測量內部的磁場。儘管在此既有限制之下，研究人員仍然得到了許多重要的觀測結果，包括關於磁極可能開始反轉的線索。
圖中顯示大部份的磁通量是由南半球向外穿出地核，而在北半球向內進入地核。但在少數特殊區域，情況卻正好相反。這些所謂的反向通量斑塊在1980~2000年之間增生、擴張；如果它們擴展到涵蓋兩極，可能會發生磁極反轉。
重要的發現之一，是地球的大部份磁場僅來自地核–地函交界面上的四個廣大區域。雖然地球發電機所產生的磁場非常強烈，但是磁場的能量只有約1％可以延伸到地核外。在地表進行測量時，這個磁場最顯著的結構是偶極，多數時候與地球自轉軸大致平行。地磁就如同一根普通的磁鐵棒，而這個磁場的主要磁通量是在南半球由地核向上穿出，並在北半球向內進入地核。（指北針的磁針之所以會指向地球的地理北極，就是因為上述偶極的磁南極正好在那附近。）但人造衛星顯示，磁通量並非是均勻遍佈全球的。偶極磁場的強度大部份是來自北美洲、西伯利亞和南極洲沿海地表下方。
任職於德國卡特倫堡–林島的馬克士普朗克太陽系研究所的克裏斯坦森（Ulrich R. Christensen），推測這些大區塊是來自地核內部持續變化的對流結構，而且在幾千年間不斷改變。有沒有可能，類似的現像是造成磁偶極反轉的原因？由地質記錄得到的證據顯示，過去的反轉事件週期相當短，約4000~10000年。就算地球發電機停止運作，磁偶極也得要將近10萬年才會自行消失。因此，這麼快速的變化，暗示了有某種不穩定性破壞了原來的極性，同時產生新的極性。
對個別的反轉事件而言，這神秘的不穩定性可能是流場結構的某種混沌變化，只能偶爾成功的逆轉磁偶極。但發生反轉的頻率在過去1億2000萬年間穩定增加，可能是有外在的控制因素。其中一個可能，是地函底部的溫度變化能迫使地核改變其內部上升流動的結構。
在過去1億5000萬年間，地球的磁極以不同頻率反轉了數百次。科學家經由研究磁性礦物而發現這些反轉事件。當岩石受熱，其中的磁性礦物會順應地球磁場而排列，因此礦物能保存岩石冷卻時的地磁方向。
其他研究團隊分析了磁場衛星和厄斯特衛星觀測的分佈圖，發現可能引發磁極反轉的變動跡象。餘洛（Gauthier Hulot）和他在法國巴黎地球物理研究院的同事注意到，地球磁場的持續變異，是來自地核–地函交界面上某些磁通量方向與整個半球相反的區域。這些所謂的反向通量斑塊（reversed flux patch）中，最大的一塊由非洲南端下向西延伸至南美洲南端下方。在這個斑塊裡，磁通量向內進入地核，然而南半球大部份磁通量是指向外的。
斑塊的產生
研究人員比較了最近由厄斯特衛星觀測到的磁場以及1980年的觀測結果。所得到最重要的結論之一，是新的斑塊持續在北美東岸及南極等地區下的地核–地函交界處形成。更重要的是，較老的斑塊面積擴大了且略向兩極方向靠近。1980年代晚期，英國裏茲大學的加賓斯（David Gubbins）研究較老舊、粗略的磁場圖，發現反向通量斑塊的增加、擴張和往兩極移動，可解釋磁偶極隨時間減弱的情形。
這些觀測結果可以利用磁力線的概念解釋（實際上，磁場在空間中是連續的）。我們可以想像，這些磁力線「凍結」在液態鐵核中而隨之運動，就像是在水杯中的顏料線條被攪動時的樣子。在地核中由於科氏力效應，流體中的渦流將磁力線扭結成團，看起來就像一團團的義大利麵條。這樣的糾結把更多的磁力線壓縮在地核內，因而增加了磁場的能量。（如果這個過程不受抑制的話，磁場會無限制的增強。但是電阻會減弱、緩和磁力線的扭轉，適當阻止了磁場無限制的增強，但又不會破壞地球發電機的運作。）
具有強大磁通量的斑塊，不論方向是正是反，都是渦旋與地核內部的東–西向環狀磁場交互作用時，在地核–地函交界面上所形成。這些亂流般的流體運動可以把環狀的磁力線彎曲、扭轉成小圈，形成極向磁場（poloidal field），方向為南–北指向。有時這種扭曲是由湧升流裡上升的流體造成的。如果湧升流夠強，極向磁場環圈的頂端會被排出到地核之外。這樣的過程會使小圈的兩端穿過地核–地函交界處，產生一對通量斑塊。斑塊之一具有正常方向的磁通量（與該半球整體的偶極方向相同）；另一個斑塊的通量方向則是相反的。
如果扭曲所造成的反向通量斑塊，比正常通量的斑塊更靠近地理極點，則會使磁偶極減弱，因為磁偶極對於在極點附近的變化最敏感。這確實說明瞭目前位在非洲南端下的反向通量斑塊。如果整個行星的磁極要真的反轉，反向通量斑塊需擴大到涵蓋整個極區；同時，另一個地理極點附近也會發生類似的區域極性全面變化。
地球熔融外核裡的複雜流場，類似於電腦所模擬的二維亂流對流（上圖左）。但是在模擬三微的地球發電機時，科學家則受限而僅能模擬出層流中典型的大型煙流（上圖右），類似於市售熔岩燈裡熱礦物油浮升的樣子。目前電腦還沒有能力處理像地球核心裡的三維亂流那樣複雜的運算。
利用超級電腦模擬
為了進一步深究反向通量斑塊如何發展，以及它們如何預示下一次的磁極反轉，研究人員在超級電腦上和實驗室內模擬地球發電機。現代地球發電機的電腦模擬始於1995年，有三個研究團隊：日本東京大學的陰山（Akira Kageyama）及其同事、美國加州大學洛杉磯分校的羅伯茲（Paul h. Roberts）與格拉茲麥爾（作者之一），以及英國艾克斯特大學的瓊斯（Christopher A. Jones）及同事，這些團隊各自發展數值模擬，能夠產生類似在地表觀測到的磁場。自此之後，針對長達數十萬年的模擬運算，結果顯示對流確實能造成地核–地函交界面上的反向通量斑塊，就像在人造衛星圖像上見到的一般。這些斑塊往往在磁偶極的自發性反轉前出現，而有些模擬也能產生磁偶極反轉的現象。
電腦所模擬的磁極反轉，讓研究人員首次能對於此轉換過程的開始及演進可以有初步瞭解（見下頁〈模擬磁極反轉〉）。一個三維的模擬（必須每天運算12小時，並且持續一年，才能得出30萬年的模擬結果）所描繪出的反轉事件，是開始於偶極場強度的衰減。接著便會開始形成許多如同現在出現在地核–地函交界的反向通量斑塊。但在過渡期間，這些反向通量斑塊並不會完全消除磁場，而是形成一個綜合了複雜極性的微弱磁場。
由模型中的地球表面看來，磁偶極的反轉是發生於地核–地函交界上反向通量斑塊開始超過原本的極性時。原來的極性消退、新的極性蔓延而至主宰整個地核，整個過程需時約9000年。
模型中還少了什麼？
以這些成果為基礎，有關地球發電機的電腦模型正快速增加。截至目前為止，全世界已有超過12個研究團隊利用模擬來瞭解太陽系內、外各種天體的磁場。但是這些地球發電機模型是否真能描述地球實際的發電生磁機制？事實是，沒有人確實知道答案。
至今尚未有任何電腦的發電機模型能模擬出行星內部各種不同尺度的亂流，主要是因為現有的高度平行化超級電腦還不夠快，無法在三維空間中、用實際的物理參數準確計算磁場亂流。在地核中造成磁場扭曲的亂流渦旋，尺度最小的可能在幾公尺到數十公尺之間，遠小於目前以超級電腦模擬的全球性地球發電機模型所能解析的尺度。這表示所有模擬地球發電機的三維電腦模型，目前只能模擬簡單、大尺度的層流對流，類似於熔岩燈裡熱礦物油的上升。
為了在層流模型裡模擬近似亂流的效果，研究人員可以把液態核心中，某些在真實世界裡小得無法解析的性質，用遠高出實際的數值來描述。如要在電腦模型裡達到真正的亂流，研究人員必須屈就於二維模型，但代價是二維流場無法維繫發電機機制。不過這些模型確實顯示出，目前模擬的地球發電機中看到的層流，遠比地核中真正的亂流簡單、平滑。
其中最明顯的不同，大概是流體上升穿過地核時的路線。在簡單的層流對流模擬中，大型的煙流從地核底部一路延伸到頂端。然而，在二維的亂流模型裡，對流則呈現出許多小尺度的煙流和渦流，於地核的上、下邊界分離開來，在中間的主要對流區內部交互作用。
這些流場形態的差異，可能會強烈影響地球磁場的結構與發生各種變化所需的時間。這就是為什麼研究人員要孜孜矻矻地追求新一代的三維模型。總有一天，也許是10年之後，電腦運算速度進步，將可模擬具有強大亂流的地球發電機。在那之前，我們希望能由目前正在實驗室中進行的發電機實驗，得到更多知識。
實驗室裡的發電機
要增進對地球發電機的瞭解，有個好方法是把電腦的發電機模型（缺乏亂流）與實驗室發電機（缺乏對流）加以比較。1960年代科學家首次證明瞭在實驗室中模擬地球發電機的可行性，但是成功之路仍十分漫長。實驗室設備和真正行星核心在尺度上的巨大差異是重要關鍵。一個能自我維持的流體發電機，所需磁雷諾數（一個無因次參數）至少要超過10左右。
地核的磁雷諾數非常大，可能約1000左右，主要是因為它的線性尺度非常大（地核的半徑約為3485公里）。簡單的說，要在體積很小的流體中產生很高的磁雷諾數非常困難，除非你能使流體以極高的速度運動。
在實驗室的液態發電機裡產生自發磁場，這個夢想了10年之久的期望，終於在2000年成真；歐洲的兩個團隊，一個由拉脫維亞大學的蓋理提斯（Agris Gailitis）領軍，另一個則是由德國卡斯魯研究中心的史蒂格裏茲（Robert Stieglitz）和繆勒（Ulrich Muller），以及拜律特大學的布瑟（Fritz Busse）共同率領，他們各自在大量液態鈉中達成自生磁場。（使用液態鈉是因為它的導電係數高且熔點低。）兩個團隊都找出方法，在1~2公尺長的螺旋形管的系統中達成高速的流體運動，所產生的臨界磁雷諾數約為10。
這些實驗結果印證了理論，讓我們對於把發電機的理論應用於地球和其他行星，有著某種程度的信心。如今世界各地許多團隊都忙於發展新一代的實驗室發電機。為了更真切模擬類似地球的幾何形狀，這些實驗將把液態鈉放入巨型球室內攪動，其中最大的直徑將近三公尺。
除了朝向更接近實際情形的實驗室發電機和三維電腦模擬等進行中的計畫，國際人造衛星CHAMP正在觀測地球磁場，其解析度足以即時、直接測量地核–地函交界處的地磁變化。研究人員期望這枚衛星在為期五年的任務中，能提供地球磁場的連續圖像，讓他們能監測反向通量斑塊的持續增長，以及關於偶極場如何減弱的其他線索。
我們預期在未來10年或20年內，衛星觀測、電腦模擬及實驗室實驗這三種方法將整合為一。得到這奇特地球發電機更完整的圖像，我們將瞭解目前我們對於地球磁場以及磁極反轉的想法是否正確。
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