地磁场的两极倒转，曾推动物种大灭绝？

　　图源：冰河时代

　　作者 | 丁宝明 中国地质大学

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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