地球被磁場覆蓋。它使指南針指向北方，並保護我們的大氣層免受來自太空的帶電粒子（例如質子）的持續轟擊。如果沒有磁場，我們的大氣層將慢慢被有害輻射剝離，生命幾乎肯定不會像今天這樣存在。
你可能會認為磁場是地球上生命永恆不變的一個面向，在某種程度上你是對的。但地球磁場確實發生了變化。每隔一段時間——大約數十萬年——磁場就會發生翻轉。北指向南，反之亦然。當磁場翻轉時，它也往往會變得非常弱。
左邊是我們習慣的地球磁場。右側是反轉期間磁場的模型。 美國宇航局/加里·格拉茲邁爾,副本
目前，像我們這樣的地球物理學家正在熱議的是，地球磁場的強度在過去 160 年來一直在以驚人的速度下降。這次塌陷集中在南半球的一大片地區，從辛巴威延伸到智利，稱為南大西洋異常。那裡的磁場強度非常弱，對於在該地區上空運行的衛星來說是一個危險——磁場不再保護它們免受傷害。輻射干擾與衛星電子設備。
而且磁場持續減弱，可能預示著更戲劇性的事件，包括全球磁極反轉。如此重大的變化將影響我們的導航系統以及電力傳輸。北極光的奇觀可能會出現在不同的緯度。而且，由於在全球逆轉期間，更多的輻射會在極低的場強下到達地球表面，因此它也可能影響癌症的發生率。
我們仍然不完全了解這些影響的程度，這增加了我們調查的緊迫性。我們正在求助於一些可能出乎意料的資料來源，包括 700 年前的非洲考古記錄，來解開這個謎團。
地磁場的起源
地球磁場是由地球液態外核中的對流鐵。來自財富天文台和衛星數據記錄了近代的磁場，我們可以模擬如果我們在地球旋轉的液態鐵芯正上方有一個指南針，磁場會是什麼樣子。
這些分析揭示了一個令人震驚的特徵：在南部非洲下方的地核-地函邊界處，有一片反極性區域，液態鐵外核與地球內部稍硬的部分相交。在該區域中，磁場的極性與全球平均磁場相反。如果我們能夠在南部非洲深處使用指南針，我們會發現在這片不尋常的土地上，北方實際上指向南方。
該斑塊是造成南大西洋異常現象的罪魁禍首。在數值模擬中，在地磁反轉之前立即出現了類似南非地下的不尋常斑塊。
在地球歷史上，兩極經常逆轉，但最後一次逆轉是在遙遠的過去，大約78萬年前。最近磁場的快速衰減及其衰減模式自然引發了一個問題：過去 160 年之前發生了什麼。
考古磁學帶我們回到更遠的時代
在考古磁學研究中，地球物理學家與考古學家合作，了解過去的磁場。例如，用於製作陶器的黏土含有少量磁性礦物，例如磁鐵礦。當黏土被加熱來製作鍋子時，其磁性礦物會失去它們可能具有的任何磁性。冷卻後，磁性礦物記錄了當時磁場的方向和強度。如果人們能夠確定罐子的年齡，或者它來自的考古遺址（例如，使用放射性碳定年法），那麼就可以恢復考古磁學歷史。
利用此類數據，我們獲得了北半球考古地磁學的部分歷史。相較之下，南半球的考古磁記錄卻很少。特別是，幾乎沒有來自南部非洲的數據——那是該地區，與南美洲一起，這可能會提供對造成今天南大西洋異常的反轉核心斑塊歷史的最深入了解。
但今天南部非洲人的祖先、講班圖語的冶金學家和農民在 2000 至 1500 年前開始遷移到該地區，無意中給我們留下了一些線索。這些鐵器時代的人住在用黏土建造的小屋裡，並將穀物儲存在硬化的黏土箱中。作為南部非洲鐵器時代的第一批農學家，他們嚴重依賴降雨。
幾個世紀前使用的樣式的糧倉。 約翰·塔杜諾,CC BY-ND
這些社區經常透過焚燒泥土糧倉的清潔儀式來應對乾旱。對這些人來說，這一系列有些悲慘的事件最終對數百年後的考古磁學來說是個福音。就像鍋子的燒製和冷卻一樣，這些結構中的黏土在冷卻時記錄了地球磁場。由於有時可以發現這些古老小屋和穀倉的地板完好無損，因此我們可以對它們進行採樣，以獲得其當代磁場方向和強度的記錄。每層樓都是一個小型磁力觀測站，其指南針在燃燒後立即被及時凍結。
與我們的同事一起，我們集中採樣分佈在林波波河谷的鐵器時代村落遺址上，今天北與辛巴威接壤，西與波札那接壤，南與南非接壤。
林波波河谷下方的地球深處正在發生什麼事？ 約翰·塔杜諾,CC BY-ND
磁通磁場
在林波波河谷地點進行的採樣獲得了公元1000 年至1600 年間南部非洲的第一個古地磁歷史。迅速減少。然後強度增加，儘管速度慢得多。
兩次快速場衰減的發生——一次是在 700 年前，一次是在今天——表明了一種反覆出現的現象。目前南非統治下的逆轉通量補丁是否會定期發生，比我們的記錄顯示的時間更早？如果是的話，為什麼會在這個地方再次發生？
在過去的十年裡，研究人員累積了地震波分析影像。當地震剪切波穿過地球各層時，它們傳播的速度顯示了該層的密度。現在我們知道，大面積的慢地震剪切波是南部非洲下方地函核心邊界的特徵。
南大西洋異常的位置。 邁克爾·奧薩迪奇 / 約翰·塔杜諾,CC BY-ND
南部非洲下方的這個特定區域有一個有點羅嗦的標題：非洲大低剪切速度省。雖然許多人對這個描述性但行話豐富的名字感到畏縮，但它是一個深刻的特徵，一定有數千萬年的歷史。雖然橫跨數千公里，但其邊界卻很清晰。有趣的是，反轉的磁芯通量斑塊幾乎與其東部邊緣重合。
事實上，當今的反向核心斑塊和非洲大低切變速度省的邊緣在物理上如此接近，這一事實引起了我們的思考。我們想出了一個連結這兩種現象的模型。我們認為，不尋常的非洲地函改變了下方地核中鐵的流動，這反過來又改變了地震區邊緣的磁場行為方式，並導致反向通量斑塊。
我們推測這些反向核心斑塊快速成長，然後更緩慢地衰退。偶爾，一小塊區域可能會變得足夠大，足以主宰南半球的磁場——然後兩極就會顛倒。
反轉的傳統想法是它們可以從核心的任何地方開始。我們的概念模型表明，地核-地函邊界可能存在促進逆轉的特殊位置。我們還不知道目前的磁場在未來幾千年裡是否會逆轉，或者只是繼續下去在接下來的幾個世紀裡減弱。
但現代南部非洲人的祖先提供的線索無疑將幫助我們進一步發展我們提出的逆轉機制。如果正確的話，磁極反轉可能是「走出非洲」。
