提起絢麗多彩的極光，人們就會(huì)想到南北極。鮮為人知的是，在地球赤道上也有可能看到極光。
這種現(xiàn)象很多時(shí)候與地球磁場(chǎng)異常有關(guān)。人們都知道地球有南北兩個(gè)對(duì)稱的磁極，不過(guò)，地球上還有一些少為人知的地磁異常區(qū)——高于或低于同緯度地區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度的正異常區(qū)或負(fù)異常區(qū)。赤道極光就與地磁負(fù)異常有關(guān)。
先別對(duì)飛往赤道看極光感到欣喜，地磁異常也是地球南北磁極倒轉(zhuǎn)的一個(gè)潛在“先兆”。地磁倒轉(zhuǎn)會(huì)削弱對(duì)地球系統(tǒng)的保護(hù)，甚至造成生物大滅絕。
南大西洋異常區(qū)（SAA）是今天地球唯一的負(fù)地磁異常區(qū)，能否通過(guò)歷史上類似的異常區(qū)，增進(jìn)人們對(duì)這一動(dòng)力學(xué)過(guò)程的理解？在日前發(fā)表于美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》的一項(xiàng)研究中，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所（以下簡(jiǎn)稱地質(zhì)地球所）魏勇研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)與英國(guó)利茲大學(xué)的合作團(tuán)隊(duì)利用一把“新鑰匙”——千年古籍中記錄的赤道極光，首次展示了地球內(nèi)部與空間的協(xié)同演變。
“不安分”的地磁場(chǎng)
在地球系統(tǒng)46億年演化進(jìn)程中，磁場(chǎng)的出現(xiàn)和演化，與其他因素共同作用塑造了今天生機(jī)勃勃的宜居地球。
“地磁場(chǎng)穿越厚達(dá)3000公里的地幔與地殼達(dá)到地表，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)地延伸到太空中去。太空中的這一部分地磁場(chǎng)包裹的空間即‘磁層’，在靠近太陽(yáng)的一側(cè)能達(dá)到10個(gè)地球半徑（地球半徑為6371公里）那么遠(yuǎn)，而在遠(yuǎn)離太陽(yáng)的一側(cè)可能達(dá)到上千個(gè)地球半徑。”論文第一作者、地質(zhì)地球所研究員何飛向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》解釋。
他表示，由于帶電粒子遇到磁場(chǎng)后運(yùn)動(dòng)方向會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，巨大的磁層把地球包裹于其中，對(duì)地球生物圈產(chǎn)生了雙重保護(hù)作用：避免外來(lái)的高能帶電粒子入侵；減少大氣層中的帶電粒子逃逸。
地球磁場(chǎng)可以分為四大部分：主磁場(chǎng)、地殼異常磁場(chǎng)（也稱巖石圈磁場(chǎng)）、外源變化場(chǎng)和地球內(nèi)部感應(yīng)磁場(chǎng)。這些磁場(chǎng)組份的物理起源和時(shí)空分布特征各不相同。現(xiàn)今主磁場(chǎng)——偶極磁場(chǎng)占地球磁場(chǎng)的97%。
在眾多地球主磁場(chǎng)起源假說(shuō)中，今天科學(xué)家們更認(rèn)同“地核發(fā)電機(jī)”假說(shuō)——地心外核中處于熔融狀態(tài)的金屬鐵的持續(xù)對(duì)流過(guò)程。“如果說(shuō)磁流體對(duì)流過(guò)程能夠產(chǎn)生或增強(qiáng)磁場(chǎng)；那么磁擴(kuò)散過(guò)程則恰好相反，它使磁場(chǎng)趨于均勻分布，并總是趨于衰減。這兩個(gè)過(guò)程決定了偶極磁場(chǎng)的變化。”該項(xiàng)研究方案的設(shè)計(jì)者兼共同通訊作者、地質(zhì)地球所研究員魏勇解釋說(shuō)。
他表示，如果外地核某些區(qū)域的流動(dòng)因地幔運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和熱力學(xué)狀態(tài)的改變出現(xiàn)異常，不足以補(bǔ)償磁擴(kuò)散引起的衰減，在長(zhǎng)時(shí)間積累下，該區(qū)域就會(huì)表現(xiàn)出磁場(chǎng)強(qiáng)度明顯低于其他區(qū)域，即負(fù)磁異常區(qū)。一旦磁層變小了，對(duì)該區(qū)域的保護(hù)作用也會(huì)隨之變小。
“除了負(fù)地磁異常區(qū)，地球磁場(chǎng)也存在正磁異常區(qū)。”他說(shuō)，目前地球磁場(chǎng)的三個(gè)正磁異常區(qū)分別位于北美洲北部、西伯利亞，以及南極大陸與大洋洲之間的海洋。
不止如此，他指出，“發(fā)電機(jī)”過(guò)程的劇烈變化還可能導(dǎo)致全球性磁場(chǎng)減弱，或是磁偶極子減弱、磁多極子增強(qiáng)，甚至發(fā)生南北磁極的倒轉(zhuǎn)。
“當(dāng)南北磁極調(diào)換，導(dǎo)致地磁保護(hù)層消失，宇宙輻射就會(huì)直接穿越到大氣層里，其中就包括致命的射線。”魏勇說(shuō)。此外，候鳥(niǎo)南飛北遷要依靠地磁場(chǎng)進(jìn)行全球定位，人類的導(dǎo)航、衛(wèi)星系統(tǒng)不少都是根據(jù)磁極判斷方向。“一旦顛倒，天上飛的、地上爬的各種交通工具，就會(huì)‘碰碰車’，給人類帶來(lái)巨大麻煩。”
古籍中的那束光
磁場(chǎng)的起源和長(zhǎng)期演化一直是地球系統(tǒng)科學(xué)關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)。赤道極光為破解這一難題照亮了一束光。
“事實(shí)上，極光（aurora）的本意是曙光，與南北極并沒(méi)有任何關(guān)系。”魏勇解釋說(shuō)，現(xiàn)代科學(xué)之父伽利略在1619年率先使用了“aurora borealis”一詞來(lái)稱呼北極光，其后又有人使用“aurora australis”稱呼南極光，久而久之， 它就具有了“極光”之義。天空中的大氣發(fā)光現(xiàn)象種類繁多，但空間物理學(xué)家對(duì)極光現(xiàn)象有明確的界定：由太空中的帶電粒子轟擊大氣粒子而產(chǎn)生。
“極光是高層大氣中的一種特殊發(fā)光現(xiàn)象。從廣義來(lái)講，所有高能粒子與中性大氣碰撞激發(fā)的光輻射都可稱為極光。”何飛也表示，傳統(tǒng)認(rèn)為極光只發(fā)生在南北兩極環(huán)繞磁軸的橢圓環(huán)帶中（又稱極光卵），這主要取決于偶極磁場(chǎng)在南北兩極匯聚形成的特殊漏斗狀結(jié)構(gòu)。
偶爾在極端空間天氣事件期間，極光卵會(huì)擴(kuò)展到中低緯度。不過(guò)，他表示，正常情況下，在低緯度區(qū)域，高能粒子很難跨域磁力線穿透高層大氣，因此極少會(huì)觀測(cè)到極光現(xiàn)象。
“但在負(fù)地磁異常區(qū)內(nèi)，磁場(chǎng)強(qiáng)度比同緯度的其他地區(qū)至少低一半，保護(hù)作用被減弱，導(dǎo)致更多的內(nèi)輻射帶高能帶電粒子進(jìn)入高層大氣，并通過(guò)碰撞激發(fā)類似極光的發(fā)光現(xiàn)象。”何飛說(shuō)，科學(xué)家已經(jīng)在SAA異常區(qū)觀測(cè)到了紅色的極光。
在2020年發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》的一項(xiàng)研究中，中科院院士萬(wàn)衛(wèi)星與魏勇、何飛等系統(tǒng)總結(jié)了以SAA為代表的負(fù)地磁異常區(qū)高能帶電粒子沉降特征、粒子碰撞發(fā)光現(xiàn)象和歷史觀測(cè)研究現(xiàn)狀，在上世紀(jì)六七十年代空間物理研究的基礎(chǔ)上重新聚焦赤道極光研究。
由于現(xiàn)今地球只有一個(gè)負(fù)地磁異常區(qū)，科學(xué)家希望通過(guò)歷史上發(fā)生的其他負(fù)地磁異常區(qū)增進(jìn)對(duì)地磁演化過(guò)程的理解。利用古代航海數(shù)據(jù)建立的全球地磁模型，他們認(rèn)為16-18世紀(jì)期間，西太平洋地區(qū)存在明顯的負(fù)地磁異常，即西太平洋地磁異常區(qū)（WPA）。有趣的是，研究表明正如SAA位于非洲低剪切速度地幔異常體（LLVP）的西邊緣，WPA在地理上位于太平洋LLVP的西邊緣，這表明WPA也可能像SAA一樣，是由地幔驅(qū)動(dòng)的特征。
“除了從地球內(nèi)部尋找WPA的證據(jù)外，大氣異常現(xiàn)象提供了獲取WPA演化線索的另一個(gè)路徑。”魏勇說(shuō)，在WPA的北方，古代中國(guó)、朝鮮和日本保存了大量的歷史古籍，特別是在16-18世紀(jì)古朝鮮大量官方日記持續(xù)且詳細(xì)地記載了天氣、天象等信息。其中一種夜間大氣發(fā)光現(xiàn)象——“有氣如火光”被頻繁記錄。
對(duì)此，魏勇認(rèn)為這正是由朝鮮半島南方的負(fù)磁場(chǎng)異常引起的高能粒子沉降產(chǎn)生的赤道極光。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對(duì)朝鮮古籍進(jìn)行了系統(tǒng)的整理，共發(fā)掘出公元1012-1811年800年間的2013條極光記錄。
這些赤道極光與WPA存在怎樣的聯(lián)系？它能夠告訴人們關(guān)于WPA的哪些演化特征？魏勇、何飛和地質(zhì)地球所研究員朱日祥院士聯(lián)合英國(guó)利茲大學(xué)教授菲利普·利弗莫爾（Philip Livermore）團(tuán)隊(duì)，開(kāi)展了赤道極光和地球發(fā)電機(jī)模擬的交叉研究工作，揭示出WPA百年時(shí)間尺度的震蕩特征。研究表明太平洋和朝鮮半島下部的上升流可能是引起磁場(chǎng)震蕩的關(guān)鍵：大約每100年發(fā)生一次，每一次之后都有下降流或其他機(jī)制來(lái)重新增強(qiáng)磁場(chǎng)。
多位審稿人認(rèn)為對(duì)這項(xiàng)予以高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為研究結(jié)果首次清晰地展示了地球內(nèi)部與空間的協(xié)同演變，為今后相關(guān)區(qū)域考古磁學(xué)工作提出了新方向，也為當(dāng)今SAA區(qū)域研究提供了新思路。“作者利用古代朝鮮的歷史極光記錄，為地球發(fā)電機(jī)提供了一個(gè)令人興奮的新視角。”一位審稿人說(shuō)。
破譯歷史 預(yù)測(cè)未來(lái)
科學(xué)研究表明，近數(shù)十年來(lái)，SAA的磁場(chǎng)還在持續(xù)減弱，范圍也在不斷移動(dòng)和擴(kuò)大，磁暴期間越來(lái)越頻繁地觀測(cè)到赤道極光，一些地方甚至肉眼可見(jiàn)。
那么，地球是否可能發(fā)生磁極倒轉(zhuǎn)的情況？“如果全球性的磁場(chǎng)減弱持續(xù)發(fā)展，則有可能迎來(lái)下一次地磁倒轉(zhuǎn)。”何飛對(duì)本報(bào)說(shuō)，“但這只是推測(cè)，因?yàn)闅v史上地磁倒轉(zhuǎn)的發(fā)生并沒(méi)有固定的規(guī)律，每次磁極倒轉(zhuǎn)需要的時(shí)間也是幾千年不等。地球歷史上已知的地磁倒轉(zhuǎn)發(fā)生間隔在幾十萬(wàn)年到上百萬(wàn)年不等，上一次倒轉(zhuǎn)發(fā)生在78萬(wàn)年前。
科學(xué)家已經(jīng)通過(guò)“蛛絲馬跡”發(fā)現(xiàn)地磁倒轉(zhuǎn)和地磁異常帶來(lái)的影響。例如，美國(guó)卡耐基研究所的科學(xué)家在分析遠(yuǎn)古巖石中的磁場(chǎng)極性時(shí)發(fā)現(xiàn)，在距今6.5億到10億年之間，地球出現(xiàn)了多個(gè)磁極，導(dǎo)致地球磁場(chǎng)出現(xiàn)混亂。而恰巧在這段時(shí)間中，地球出現(xiàn)了雪球事件、寒武紀(jì)滅絕事件等與生命有關(guān)的重大自然事件。他們推測(cè)，磁場(chǎng)的混亂可能是導(dǎo)致這些事件發(fā)生的原因。
近日，利物浦大學(xué)的研究人員對(duì)蘇格蘭東部古熔巖流的巖石樣本進(jìn)行熱微波古地磁分析后發(fā)現(xiàn)，在4.16億至3.32億年前，這些巖石中保存下來(lái)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度不到今天的1/4。而科學(xué)研究表明泥盆紀(jì)-石炭紀(jì)（4.19億~2.86億年前）的大規(guī)模滅絕與較高的紫外線（UV-B）輻射有關(guān)。作者表示這說(shuō)明了弱磁場(chǎng)對(duì)地球生命的影響。
由此可見(jiàn)，破譯過(guò)去地磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化具有重要意義，它可以提供數(shù)億年來(lái)地球深部過(guò)程的變化，進(jìn)一步豐富和完善地球發(fā)電機(jī)過(guò)程，并為未來(lái)地磁可能如何波動(dòng)或倒轉(zhuǎn)提供線索。
“我們的這項(xiàng)工作只是初步的，未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)在我國(guó)南海、東南亞地區(qū)、孟加拉灣地區(qū)的考古磁學(xué)和古地磁研究，豐富和完善公元1800年之前的地磁記錄，為構(gòu)建準(zhǔn)確的WPA演化模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而也為預(yù)測(cè)地球磁場(chǎng)的未來(lái)演變提供堅(jiān)實(shí)的依據(jù)。”何飛說(shuō)。
“中華文明源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，我國(guó)的正史和地方志中保存著豐富的自然現(xiàn)象記錄，是研究人類周圍各種環(huán)境變量長(zhǎng)期變化的寶貴資料，甚至經(jīng)常是唯一資料。朝鮮半島、日本、越南等國(guó)家的正史大部分使用漢語(yǔ)寫(xiě)作，內(nèi)容和體例也有一大部分承襲自我國(guó)，因此也保留了許多具有重要科學(xué)價(jià)值的資料。我國(guó)學(xué)者應(yīng)當(dāng)發(fā)揮自身文化優(yōu)勢(shì)，投入到這一研究領(lǐng)域中來(lái)。”魏勇說(shuō)。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1073/pnas.2026080118
https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa083
https://doi.org/10.1073/pnas.2017342118
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