內容摘要：神秘的地球uux.cn報道）據中國科學院地質與地球物理研究所撰稿：樊耘暢/地星室，趙盼/巖石圈）：地磁場是地球重要的基本物理場之一，它源自地球外核流體運動，攜帶了地球內部的重要信息。地磁場阻擋了大量宇
（神秘的兩危機地球uux.cn報道）據中國科學院地質與地球物理研究所（撰稿：樊耘暢/地星室，趙盼/巖石圈）：地磁場是千年前地地球重要的基本物理場之一，它源自地球外核流體運動，磁極
攜帶了地球內部的發生重要信息。地磁場阻擋了大量宇宙射線和太陽風高能粒子的短暫倒轉地球侵襲，保護著地球上的系列生命。地磁漂移是環境指地球磁場的長期變化中存在的某些“異常”變化，當虛地磁極（VGP）的兩危機緯度變化超過45°時，可認為發生了地磁漂移事件。千年前地大多數地磁漂移表現為地磁極的磁極反向變化（Roberts, 2008），并伴隨地磁場強度的發生減弱，隨后地磁極逐漸回到漂移前的短暫倒轉地球方向，這個過程持續約幾千年。系列地磁漂移事件發生時，環境
地磁場強度變低，兩危機對于高能宇宙射線的屏蔽作用減弱，大量的高能帶電粒子進入地球大氣層，影響地球環境和生命。但地磁漂移事件對地球環境與生命會造成哪些影響及其造成這些影響的機制，目前仍不清楚。研究地磁漂移期間的地磁場和地球環境變化，對于了解地磁場對環境與生命的影響機制有重要意義。
拉尚漂移（Laschamps Excursion）是發生在大約42-41 ka的一次相對較短時間（<1000年）的地磁漂移事件，1969年首次在法國奧弗涅區的拉尚熔巖流的古地磁研究中發現 （Bonhommet and Zahringer, 1969），隨后在全球多地火山碎屑與沉積物中報道，是研究地磁場極性變化影響的最好時期之一。雖然對格陵蘭冰芯的研究未能揭示拉尚漂移對高緯度古氣候的影響（Wanger, 2001），但拉尚漂移時期，大洋洲和安第斯山脈出現了局部冰川最大值，大氣環流模式也發生了變化，澳大利亞發生了整個大陸的干旱化和巨型動物的滅絕。此外，該時期到達地球大氣層的太陽和宇宙輻射水平顯著增加，大氣電離作用增強，臭氧水平減弱。這些環境變化的時間大致與拉尚漂移的時間一致，但由于對拉尚漂移發生的準確時間以及持續時間未能給出精確限定，先前研究尚不能確定這些環境變化與拉尚漂移事件之間是否存在因果聯系。
近日，南澳大利亞博物館的Alan Cooper等人針對拉尚漂移開展了年代學以及與環境變化的關聯性研究。利用新西蘭生長于42 ka前具有1700年年輪的貝殼杉（Kauri Tree）古樹中記錄的14C變化信息，結合氣候模型模擬結果，將地磁場倒轉與大規模的環境變化聯系起來，認為在42-41 ka之間，地磁極發生了短暫的倒轉，并引發地球一系列的環境危機，并可能對當時澳大利亞的大型哺乳動物的滅絕，尼安德特人從歐洲的消失與智人占據統治地位，歐洲和亞洲開始出現洞穴壁畫等產生了影響。
由于地磁場保護著地球免受來自外太空宇宙射線的輻射，當地磁場減弱時，進入大氣層的宇宙射線變多，更多的14C由此產生，沉降的14C會被樹木吸收并保留，因此14C的變化可以反映當時地磁場的變化。通過對四棵古樹化石橫截面進行14C同位素分析，并結合古樹的年輪數據獲得了一份能夠精確測定年代、連續1700年變化的大氣放射性14C記錄。將其與中國葫蘆洞的14C曲線（Cheng, 2018）對照，得到了貝殼衫-葫蘆洞14C變化曲線（圖1）。
圖1 拉尚漂移期間的大氣放射性碳濃度變化以及與關鍵環境數據的比較（Cooper et al., 2021）
該曲線揭示，地磁場最顯著的減弱并非發生在地磁極倒轉期間，而是在發生地磁極倒轉之前約500年中，即大約42.3-41.6 ka前。在此期間，磁場強度減小到現今地磁場強度的0-6%，而在磁極倒轉期間，地磁場的強度約為現今的28%，這一現象作者稱之為“亞當斯地磁場過渡事件”。亞當斯地磁場過渡事件時期同時與太陽活動的極小期（Grand Solar minima）對應。
采用貝殼衫-葫蘆洞14C變化曲線對多個42 ka附近的氣候環境事件進行重新標定，發現這些氣候環境變化均與亞當斯地磁場過渡事件時間一致。例如，奧克蘭群島Pillar Rock地區沉積記錄揭示的南半球中緯度西風帶向兩極的傾斜發生在42.23±0.2 ka；西太平洋赤道附近蘇拉威西島托烏蒂湖沉積記錄顯示ITCZ的偏移發生在42.35±0.2 ka（圖2）。這些氣候變化均與拉尚漂移之前地磁場強度最小的地磁場過渡階段年齡一致。同時，該階段太平洋周圍發生的重大環境變化還導致了安第斯山脈中南部局部冰川的擴張，澳大利亞巨型動物滅絕的高峰期（~42.1 ka），澳大利亞東北部林奇火山口大量燃燒的植物痕跡（41.91±0.4 ka），澳大利亞內陸湖的消失等。其他比較顯著的影響還有尼安德特人從歐洲消失，智人占據統治地位，歐洲和亞洲開始出現大量洞穴壁畫等。因此，拉尚漂移時期地磁場強度顯著減弱可能是氣候和環境一系列劇變的原因。
圖2 42 ka亞當斯事件的氣候和環境變化（Cooper et al., 2021）
該研究同時建立了全球化學氣候模型（SOCOL-MPIOM），使用現代地磁場偶極矩（M）和平均太陽調制勢（f）的現代值對拉尚漂移前的全球環境條件進行了一系列模擬，包括拉尚漂移時期減弱的地磁場對應的兩種強弱的太陽活動狀態。模擬結果顯示，當地磁場減弱（對應拉尚漂移時期）與太陽調制強度減小時（對應太陽極小期），大氣電離作用大大增加，導致氫氧和氮氧化物（HOx和NOx）的大量生成，降低了平流層的O3混合比（~5%），增加了對流層的O3混合比（~5%），整個大氣的臭氧水平也隨之改變（圖3）。這些改變會對中高緯度地區的氣候產生影響，在北半球，臭氧濃度降低改變了赤道到兩極的溫度梯度，減弱了北極的極地渦旋，導致極地平流層的暖效應增加。在南半球可能對中緯度氣流和亞熱帶降水模式產生影響，但此處模擬的顯著性小于10%，需要更長時間的運行來證實。
圖3 地磁場變弱和太陽活動極小期對全球化學（氣候）的影響（Cooper et al., 2021）
雖然與拉尚漂移期間地磁倒轉相關的直接影響只持續了800年，但許多上述同步變化持續了數千年。該研究認為，可能是隨著地球的軌道結構趨向完全冰期狀態，全球海洋環流受到限制，氣候系統可能對拉尚漂移前后相對較短但十分極端的驅動變化十分敏感。比如，在39至37 ka，北美勞倫冰蓋的某些部分可能已經擴大了1000公里以上，但在42 ka，北美勞倫冰蓋的局部最小范圍開始迅速擴大。而它的擴大使得整個太平洋的大氣環流重組。這種半球尺度對突然驅動的反應與由Pillar Rock研究揭示的南半球中緯度西風的同步運動相一致。因此，該研究認為中低緯度在42ka左右同時發生的氣候和環境影響，與拉尚漂移之前的地磁場減弱是可以對應的。
總之，該研究將地磁強度漂移與全球氣候和環境變化聯系起來，揭示了地磁場強度變化和宇宙輻射變化的疊加可以影響全球氣候變化，這一發現為氣候突變的成因提供了新的見解。但地球磁場在歷史時期發生過很多次倒轉與漂移，這些地磁場倒轉和漂移事件，特別是超靜磁期結束后的地磁場倒轉，是否會對當時的地球環境產生了影響，仍需要不斷探索。
主要參考文獻
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