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地磁场的两极倒转,曾推动物种大灭绝?

十点科学

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图源:冰河时代

作者|丁宝明 来源|十点科学(ID:Science_10)

一项新研究发现,42000年前的一次磁场反转,曾引发全球气候剧变,推动巨型袋鼠、长毛猛犸象等大型哺乳动物的灭绝。

我们的地球能够拥有温润的大气,很大程度仰赖于地磁场的保护。在漫长的地质历史中,地磁场其实并不“坚挺”,它的两极会不断反转,引发磁场强度阶段性地消减。在那个过程中,大气还好吗?地球生物怎么样了呢?

最近,发表在《科学》杂志上的一项研究,给出了参考:

在地磁场的翻转过程中,由于磁场变弱,大气中的臭氧会减少,导致全球气候剧变,推动物种灭绝。

这不由得让人担心,相同的悲剧会发生在我们身上吗?毕竟,近年来,有关地磁场变弱的新闻时有传出,对地磁场反转的猜测甚嚣尘上。

多次出现的地磁反转

地磁场的两极反转在地质史上并不罕见。自1906年,法国地球物理学家伯纳德·布容首次发现,法国熔岩的磁化方向与当前地磁场的方向相反,推测地磁场可能发生过逆转,各国的地质工作者在全球范围内做了大量古地磁测量和实验。

迄今发现最早的地磁记录在35~40亿年前,说明地磁场在地球形成早期就已存在——地球的年龄约为45亿年。在地磁场形成之后的漫长地质年代里,科学家发现,每隔10~100万年便会发生一次完全的地磁南北极倒转,周期不固定。仅在过去的8300万年中,地磁场就倒转了183次,在整个地质历史时期,地磁场更是倒转了上万次。

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地磁场倒转(示意图) |来自网络

在发生极性倒转的过程中,地磁场强度均存在变弱的现象。距离今天人类最近的一次长时间地磁场倒转发生在约78万年前,持续了近2万年,被称为布容尼斯-松山倒转。

不过,在整个地质历史中,并非所有的地磁倒转都会持续上万年。有时其方向虽然会发生很大的变化,甚至达到180度的完全转向,类似极性倒转那样,但其持续时间较短,这类变化称为地磁漂移(可理解为短时间内的两次倒转)。例如4.1万年前的Laschamps地磁倒转事件,仅持续了大约1000年,其中地磁反转的时间也仅有约250年。

古树见证4.2万年前磁场反转事件

在本次研究中,科学家们利用新西兰湿地中留存的、生长于大约4.2万年前的古贝壳杉树中记录的相关信息,首次将地磁场倒转与当时大规模的环境变化直接联系起来,认为在4200年到4100年前,地球磁极发生了短暂倒转,并在地球上引发了一系列的环境危机,可能造成了当时澳大利亚长毛猛犸象、巨型袋熊等一些列巨型哺乳动物的灭绝。

新西兰贝壳杉是世界上最古老的树之一,此次研究人员发现的这些古树化石,曾生长于约4.2万年前,并拥有1700年的年轮。通过对四棵古树化石横截面进行碳-14同位素分析(测定放射性),并结合年轮数据,研究人员确认地球磁极曾在4.1万年前发生过短暂倒转,即Laschamps磁极漂移事件,同时获得了一份能够精确测定年代,且具有连续1700年变化的大气放射性碳-14记录。

这一记录揭示了碳-14在Laschamps磁极漂移事件之前、及磁极逆转期间的主要变化。

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新西兰贝壳杉(上)及化石(下) |来自网络

研究人员认为,地磁场保护着地球免受来自外太空的宇宙射线(高能带电粒子流,如来自太阳的带电粒子流)的攻击,随着地球磁场的减弱,越来越多的宇宙射线进入大气层便会产生更多的碳-14,这些碳-14会被吸收到树木组织中并被保留下来,因此碳-14的变化反映着当时地磁场的变化。

研究小组发现,最强烈的地磁场减弱并非发生在实际的磁极逆转期间,而是在发生磁极逆转之前的几百年里,大约为4.23万~4.16万年前。在实际磁极逆转期间,地磁场的强度约为今天的28%。而在逆转之前的过渡期,磁场缩减到只有目前的6%左右,研究人员将这一现象称为“亚当斯过渡性地磁事件”。

地磁场减弱会导致大气中臭氧含量减少。研究人员模拟了减弱的磁场如何改变大气模式。计算机分析表明,进入大气的带电粒子等宇宙射线的增多,会增加大气中氢和氮氧化物的产生,这些分子往往会消耗臭氧,这将降低平流层臭氧保护地球居民免受紫外线辐射的能力。

臭氧层减少的另一个可能的证据是,在大约4.2万至4万年前,人类开始越来越多地使用洞穴,并且在洞穴壁画中留下了越来越多的红赭石手印,赭石被认为是一种古老的防晒霜,这可能是人类为了躲避越来越强烈的紫外线照射。

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西班牙埃尔·卡斯蒂略山洞墙上约4.2万年前的红赭石手印 |来自网络

消失的大型哺乳动物

那么“大灭绝”是怎么回事呢,此前有研究表明,在大约42000年前,澳大利亚大型动物曾发生过一系列灭绝,包括巨型袋鼠、长毛猛犸象等大型哺乳动物。当时这些动物的灭绝究竟是气候变化的责任更大,还是人类捕猎者的责任更大,科学家对此一直争论不休。

此次研究发现,地磁场的减弱使得地球大气发生变化,进而影响到大气中不同层对太阳光的吸收,导致大规模的气候变化,使得当时地球气温降低。研究人员利用来自贝壳杉树记录的精确的碳-14年代,研究了Laschamps磁极倒转事件之前和期间的沉积物、花粉等数据,发现当时从澳大利亚到安第斯山脉的一些地方出现了突然降温。

同时研究人员对比分析了Laschamps磁极倒转事件之前和期间能反映太阳活动变化的冰芯记录。发现,当时的太阳活动处于最低水平。弱磁场和太阳输出的减少同时作用,造成了当时广泛的气候和环境变化,给当时巨型动物种群带来了压力,导致了巨型动物之间以及巨型动物与人类之间的竞争加剧,最终造成了当时这些大型动物的灭绝。

因此当时气候的变化造成这些动物灭绝的责任可能更大。

类似悲剧会重演吗?

最近200年来,地磁强度一直在减弱,现今地磁场的强度较1840年已经下降了10%(不间断地磁记录自1840年开始),平均每百年下降5%。2013年底,欧洲太空局发射了新一代地磁卫星Swarm,观测发现地磁强度正在加速下降,速度为以前测算的10倍。

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磁北极(这里应指北极磁极)移动示意图 |来自网络

同时科学家也发现,地磁北极的位置也在发生着变化。1831年首次实地确认的时候,地磁北极位于加拿大近北极地区的布西亚半岛,如今地磁北极已穿过国际日期变更线,进入东半球,并向俄罗斯西伯利亚地区方向继续移动。这是否预示着新一轮地磁倒转即将发生?

虽然地质历史时期发生地磁倒转时大都会伴随地磁场强度下降,以及磁极的漂移,但这并不一定都会最终导致地磁倒转,也可能是地磁场正常的波动。也许我们现在正处于新一次地磁倒转的关口,也许不是,由于地磁场变化的极度不规律性,科学家并不能给出准确的预言。

并且,在地磁场形成之后的漫长地质年代里,地球磁极倒转发生了上万次,这些磁极逆转事件是否对当时的地球环境产生了巨大影响,还需要科学家不断探索。比如78.1万年前开始的长达2万年的布容尼斯-松山倒转逆转,可能会造成什么样的长期环境破坏,这是一个更令人困惑的问题。

此次最新研究成果是第一个考虑“极端磁场变化是否对环境造成广泛影响”的研究,成果的准确性或许需要更多研究去验证,但是它为研究人员提供了一种新的思路。古人云“以人为鉴,可以知得失;以史为鉴,可以知兴衰”,在地质研究中“将今论古”的思想被广泛应用,研究地质历史时期曾发生的事件,可以让人们对于地球的演化历史有更清晰的认识,对于预见地球未来的变化同样具有深远意义。

或许未来有一天人类真的能够预测出下一次磁极逆转的时间,以及可能发生的气候变化,但是目前谁也无法预测未来相似的事件是否会重演,与其担心连科学家都无法预知的未来,不如我们把握当下,积极践行“绿水青山就是金山银山”的理念,保护生态环境,共同守护地球这颗美丽的星球。

参考资料:

https://science.sciencemag.org/content/371/6531/811

https://www.sciencenews.org/article/earth-magnetic-field-reversal-mass-extinctions-environment-crisis

编者按:本文转载自微信公众号:十点科学(ID:Science_10),作者:丁宝明


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