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穿越千年,古赤道极光揭示地磁异常演化

[ 来源:中国科学报 | 作者:冯丽妃 | 优游时间:2021-09-15 | 优游:225次 ]

提起绚丽多彩的极光,人们就会想到南北极。鲜为人知的是,在地球赤道上也有可能看到极光。

这种现象很多时候与地球磁场异常有关。人们都知道地球有南北两个对称的磁极,不过,地球上还有一些少为人知的地磁异常区——高于或低于同纬度地区磁场强度的正异常区或负异常区。赤道极光就与地磁负异常有关。

先别对飞往赤道看极光感到欣喜,地磁异常也是地球南北磁极倒转的一个潜在“先兆”。地磁倒转会削弱对地球系统的保护,甚至造成生物大灭绝。

南大西洋异常区(SAA)是今优游球唯一的负地磁异常区,能否通过历史上类似的异常区,增进人们对这一动力学过程的理解?在日前发表于美国《国家科学院院刊》的一项研究中,中国科学院地质与地球物理研究所(以下简称地质地球所)魏勇研究员带领的团队与英国利兹大学的合作团队利用一把“新钥匙”——千年古籍中记录的赤道极光,首次展示了地球内部与空间的协同演变。

“不安分”的地磁场

在地球系统46亿年演化进程中,磁场的优游和演化,与其他因素共同作用塑造了今天生机勃勃的宜居地球。

“地磁场穿越厚达3000公里的地幔与地壳达到地表,并远远地延伸到太空中去。太空中的这一部分地磁场包裹的空间即‘磁层’,在靠近太阳的一侧能达到10个地球半径(地球半径为6371公里)那么远,而在远离太阳的一侧可能达到上千个地球半径。”论文第一作者、地质地球所研究员何飞向《中国科学报》解释。

他表示,由于带电粒子遇到磁场后运动方向会发生偏转,巨大的磁层把地球包裹于其中,对地球生物圈产生了双重保护作用:优游外来的高能带电粒子入侵;减少大气层中的带电粒子逃逸。

地球磁场可以分为四大部分:主磁场、地壳异常磁场(也称岩石圈磁场)、外源变化场和地球内部感应磁场。这些磁场组份的物理起源和时空分布特征各不相同。现今主磁场——偶极磁场占地球磁场的97%。

在众多地球主磁场起源假说中,今天科学家们更认同“地核发电机”假说——地心外核中处于熔融状态的金属铁的持续对流过程。“如果说磁流体对流过程能够产生或增强磁场;那么磁扩散过程则恰好相反,它使磁场趋于均匀分布,并总是趋于衰减。这两个过程决定了偶极磁场的变化。”该项研究方案的设计者兼共同通讯作者、地质地球所研究员魏勇解释说。

他表示,如果外地核某些区域的流动因地幔运动状态和热力学状态的改变优游异常,不足以补偿磁扩散引起的衰减,在长时间优游下,该区域就会表现出磁场强度明显低于其他区域,即负磁异常区。一旦磁层变小了,对该区域的保护作用也会随之变小。

“除了负地磁异常区,地球磁场也存在正磁异常区。”他说,目前地球磁场的三个正磁异常区分别位于北美洲北部、西伯利亚,以及南极大陆与大洋洲之间的海洋。

不止如此,他指出,“发电机”过程的剧烈变化还可能导致全球性磁场减弱,或是磁偶极子减弱、磁多极子增强,甚至发生南北磁极的倒转。

“当南北磁极调换,导致地磁保护层消失,宇宙辐射就会直接穿越到大气层里,其中就包括致命的射线。”魏勇说。此外,候鸟南飞北迁要依靠地磁场进行全球定位,人类的导航、卫星系统不少都是根据磁极优游方向。“一旦颠倒,天上飞的、地上爬的各种交通工具,就会‘碰碰车’,给人类带来巨大麻烦。”

古籍中的那束光

磁场的起源和长期演化一直是地球系统科学关注的重点和难点。赤道极光为破解这一难题照亮了一束光。

“事实上,极光(aurora)的本意是曙光,与南北极并没有任何关系。”魏勇解释说,现代科学之父伽利略在1619年优游使用了“aurora borealis”一词来称呼北极光,其后又有人使用“aurora australis”称呼南极光,久而久之, 它就具有了“极光”之义。天空中的大气发光现象种类繁多,但空间物理学家对极光现象有明确的界定:由太空中的带电粒子轰击大气粒子而产生。

“极光是高层大气中的一种优游发光现象。从广义来讲,所有高能粒子与中性大气碰撞激发的光辐射都可称为极光。”何飞也表示,传统认为极光只发生在南北两极优游磁轴的椭圆环带中(又称极光卵),这主要取决于偶极磁场在南北两极汇聚形成的优游漏斗状结构。

优游在极端空间天气事件期间,极光卵会扩展到中低纬度。不过,他表示,正常情况下,在低纬度区域,高能粒子很难跨域磁力线穿透高层大气,因此极少会观测到极光现象。

“但在负地磁异常区内,磁场强度比同纬度的其他地区至少低一半,保护作用被减弱,导致更多的内辐射带高能带电粒子进入高层大气,并通过碰撞激发类似极光的发光现象。”何飞说,科学家已经在SAA异常区观测到了红色的极光。

在2020年发表于《国家科学评论》的一项研究中,中科院院士万卫星与魏勇、何飞等系统总结了以SAA为代表的负地磁异常区高能带电粒子沉降特征、粒子碰撞发光现象和历史观测研究现状,在上世纪六七十年代空间物理研究的基础上重新聚焦赤道极光研究。

由于现今地球优游一个负地磁异常区,科学家优游通过历史上发生的其他负地磁异常区增进对地磁演化过程的理解。利用古代航海数据建立的全球地磁模型,他们认为16-18世纪期间,西太平洋地区存在明显的负地磁异常,即西太平洋地磁异常区(WPA)。有趣的是,研究表明正如SAA位于非洲低剪切速度地幔异常体(LLVP)的西边缘,WPA在地理上位于太平洋LLVP的西边缘,这表明WPA也可能像SAA一样,是由地幔驱动的特征。

“除了从地球内部优游WPA的证据外,大气异常现象提供了优游WPA演化线索的另一个路径。”魏勇说,在WPA的北方,古代中国、朝鲜和日本保存了大量的历史古籍,特别是在16-18世纪古朝鲜大量官方日记持续且详细地记载了天气、天象等信息。其中一种夜间大气发光现象——“有气如火光”被频繁记录。

对此,魏勇认为这正是由朝鲜半岛南方的负磁场异常引起的高能粒子沉降产生的赤道极光。他带领团队对朝鲜古籍进行了系统的整理,共发掘出公元1012-1811年800年间的2013条极光记录。

这些赤道极光与WPA存在怎样的联系?它能够告诉人们关于WPA的哪些演化特征?魏勇、何飞和地质地球所研究员朱日祥院士联合英国利兹大学教授菲利普·利弗莫尔(Philip Livermore)团队,开展了赤道极光和地球发电机模拟的交叉研究工作,揭示出WPA百年时间尺度的震荡特征。研究表明太平洋和朝鲜半岛下部的上升流可能是引起磁场震荡的关键:大约每100年发生一次,每一次之后都有下降流或其他机制来重新增强磁场。

多位审稿人认为对这项予以高度评价,认为研究结果首次优游地展示了地球内部与空间的协同演变,为今后相关区域考古磁学工作提出了新方向,也为当今SAA区域研究提供了新思路。“作者利用古代朝鲜的历史极光记录,为地球发电机提供了一个令人兴奋的新视角。”一位审稿人说。

破译历史 预测未来

科学研究表明,近数十年来,SAA的磁场还在持续减弱,范围也在不断优游和扩大,磁暴期间越来越频繁地观测到赤道极光,一些地方甚至肉眼可见。

那么,地球是否可能发生磁极倒转的情况?“如果全球性的磁场减弱持续发展,则有可能迎来下一次地磁倒转。”何飞对本报说,“但这只是优游,因为历史上地磁倒转的发生并没有固定的规律,每次磁极倒转需要的时间也是几千年不等。地球历史上已知的地磁倒转发生间隔在几十万年到上百万年不等,上一次倒转发生在78万年前。

科学家已经通过“蛛丝马迹”发现地磁倒转和地磁异常带来的影响。例如,美国卡耐基研究所的科学家在分析远古岩石中的磁场极性时发现,在距今6.5亿到10亿年之间,地球优游了多个磁极,导致地球磁场优游混乱。而恰巧在这段时间中,地球优游了雪球事件、寒武纪灭绝事件等与生命有关的重大自然事件。他们优游,磁场的混乱可能是导致这些事件发生的原因。

近日,利物浦大学的研究人员对苏格兰东部古熔岩流的岩石样本进行热微波古地磁分析后发现,在4.16亿至3.32亿年前,这些岩石中保存下来的地磁场强度不到今天的1/4。而科学研究表明泥盆纪-石炭纪(4.19亿~2.86亿年前)的大规模灭绝与较高的紫外线(UV-B)辐射有关。作者表示这说明了弱磁场对地球生命的影响。

由此可见,破译过去地磁场强度的变化具有重要意义,它可以提供数亿年来地球深部过程的变化,进一步丰富和完善地球发电机过程,并为未来地磁可能如何波动或倒转提供线索。

“我们的这项工作只是初步的,未来应加强在我国南海、东南亚地区、孟加拉湾地区的考古磁学和古地磁研究,丰富和完善公元1800年之前的地磁记录,为构建准确的WPA演化模型提供基础数据,从而也为预测地球磁场的未来演变提供坚实的依据。”何飞说。

“中华文明源远流长,我国的正史和地方志中保存着丰富的自然现象记录,是研究人类周围各种环境变量长期变化的优游资料,甚至经常是唯一资料。朝鲜半岛、日本、越南等国家的正史大部分使用汉语写作,内容和体例也有一大部分承袭自我国,因此也保留了许多具有重要科学价值的资料。我国学者应当发挥自身文化优势,投入到这一研究领域中来。”魏勇说。