#你不知道的科學那些事兒# 【朝鮮千年古籍隱藏“新鑰匙”:古赤道極光揭示地磁異常演化】提起絢麗多彩的極光,人們往往會想到南北極。其實,在地球赤道上也有可能看到極光。

這種現象很多時候與地球磁場異常有關。地球有南北兩個對稱的磁極,還有一些鮮為人知的地磁異常區——高於或低於同緯度地區磁場強度的正異常區或負異常區。赤道極光就與地磁負異常有關。

實際上,地磁異常也是地球南北磁極倒轉的一個潛在“先兆”,而地磁倒轉會削弱磁層對地球系統的保護,甚至造成生物大滅絕。

南大西洋異常區(SAA)是今天地球上唯一的負地磁異常區。能否通過曆史上類似的異常區,增進對地磁演化過程的理解?

在近日發表於美國《國家科學院院刊》的一項研究中,中國科學院地質與地球物理研究所(以下簡稱地質地球所)研究員魏勇帶領的團隊與英國利茲大學研究人員合作,利用一把“新鑰匙”——千年古籍中記錄的赤道極光,首次展示了地球內部與空間的協同演變。

“不安分”的地磁場

在地球系統46億年的演化進程中,磁場的出現和演化,以及與其他因素的共同作用,塑造了今天生機勃勃的宜居地球。

“地磁場穿越厚達3000公里的地幔與地殼到達地表,並遠遠地延伸至太空中。太空中的這一部分地磁場包裹的空間即‘磁層’,在靠近太陽的一側能達到10個地球半徑(地球半徑為6371公里)那麼遠,而在遠離太陽的一側可能達到上千個地球半徑那麼遠。”論文第一作者、地質地球所研究員何飛向《中國科學報》解釋道。

他表示,由於帶電粒子遇到磁場後運動方向會發生偏轉,巨大的磁層把地球包裹於其中,對地球生物圈產生了雙重保護作用,既避免外來的高能帶電粒子入侵,又減少大氣層中的帶電粒子逃逸。

地球磁場可以分為四大部分:主磁場、地殼異常磁場(也稱岩石圈磁場)、外源變化場和地球內部感應磁場。這些磁場組分的物理起源和時空分布特徵各不相同。現今主磁場——偶極磁場占地球磁場的97%。

在眾多地球主磁場起源假說中,科學家更認同“地核發電機”假說——地心外核中處於熔融狀態的金屬鐵的持續對流。“如果說磁流體對流過程能產生或增強磁場,那麼磁擴散過程則恰好相反,它使磁場趨於均勻分布,並總是趨於衰減。這兩個過程決定了偶極磁場的變化。”魏勇解釋說。他是該項研究方案的設計者。

他表示,如果外地核某些區域的流動因地幔運動狀態和熱力學狀態的改變出現異常,不足以補償磁擴散引起的衰減,那麼長時間積累下,該區域磁場強度就會明顯低於其他區域,成為負地磁異常區。一旦磁層變小了,對該區域的保護作用也會隨之變小。

“除了負地磁異常區,地球磁場也存在正地磁異常區。”魏勇說,目前地球磁場的3個正地磁異常區分別位於北美洲北部、西伯利亞,以及南極大陸與大洋洲之間的海洋。

而“發電機”過程的劇烈變化還可能導致全球性磁場減弱,或是磁偶極子減弱、磁多極子增強,甚至發生南北磁極的倒轉。

“當南北磁極調換導致地磁保護層消失,宇宙輻射就會直接穿越到大氣層里,其中就包括致命的射線。”魏勇說,此外,候鳥南飛北遷要依靠地磁場進行全球定位,不少人類的導航、衛星系統也是根據磁極判斷方向,“一旦顛倒,天上飛的、地上跑的各種交通工具,就會變成‘碰碰車’,帶來巨大麻煩”。

古籍中的那束光

磁場的起源和長期演化一直是地球系統科學關注的重點和難點。赤道極光為破解這一難題點亮了一束光。

“事實上,極光(aurora)的本意是曙光,與南北極並沒有任何關系。”魏勇說, 天空中的大氣發光現象種類繁多,但空間物理學家對極光現象有明確的界定:由太空中的帶電粒子轟擊大氣粒子而產生。

“極光是高層大氣中的一種特殊發光現象。從廣義來說,所有高能粒子與中性大氣碰撞激發的光輻射都可稱為極光。”何飛也表示,傳統認為極光只發生在南北兩極環繞磁軸的橢圓環帶中(又稱極光卵),主要取決於偶極磁場在南北兩極匯聚形成的特殊漏鬥狀結構。

偶爾在極端空間天氣事件期間,極光卵會擴展到中低緯度。不過,他表示,正常情況下,在低緯度區域,高能粒子很難跨越磁力線穿透高層大氣,因此極少會觀測到極光現象。

“但在負地磁異常區內,磁場強度比同緯度的其他地區至少低一半,保護作用減弱,導致更多的內輻射帶高能帶電粒子進入高層大氣,並通過碰撞激發類似極光的發光現象。”何飛說,科學家已經在SAA異常區觀測到了紅色的極光。

在2020年發表於《國家科學評論》的一項研究中,中國科學院院士萬衛星與魏勇、何飛等人系統總結了以SAA為代表的負地磁異常區的高能帶電粒子沉降特徵、粒子碰撞發光現象和曆史觀測研究現狀,在上世紀六七十年代空間物理研究的基礎上重新聚焦赤道極光研究。

由於現今地球只有一個負地磁異常區,科學家希望通過曆史上的其他負地磁異常區增進對地磁演化過程的理解。通過分析基於古代航海數據建立的全球地磁模型,他們認為16世紀至18世紀期間,西太平洋地區存在明顯的負地磁異常,即西太平洋地磁異常區(WPA)。有趣的是,研究發現SAA位於非洲低剪切速度地幔異常體(LLVP)的西邊緣,WPA在地理上位於太平洋LLVP的西邊緣。這表明WPA也可能像SAA一樣,有由地幔驅動的特徵。

“除了從地球內部尋找WPA的證據外,大氣異常現象提供了獲取WPA演化線索的另一個路徑。”魏勇說,在WPA的北方,古代中國、朝鮮和日本保存了大量的曆史古籍,特別是16世紀至18世紀時期的朝鮮官方資料持續且詳細地記載了天氣、天象等訊息。其中,一種夜間大氣發光現象——“有氣如火光”被頻繁記錄。

魏勇認為,這正是由朝鮮半島南方的負地磁場異常引起的高能粒子沉降產生的赤道極光。他帶領團隊對朝鮮古籍進行了系統整理,共發掘出公元1012年至1811年800年間的2013條極光記錄。

這些赤道極光與WPA存在怎樣的聯系?它能夠告訴人們關於WPA的哪些演化特徵?

魏勇、何飛和中國科學院院士、地質地球所研究員朱日祥聯合英國利茲大學團隊,開展了赤道極光和地球發電機模擬的交叉研究工作,揭示出WPA百年時間尺度的震蕩特徵。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震蕩的關鍵,大約每100年發生一次,每一次之後都有下降流或其他機制來重新增強磁場。

多位審稿人對這項研究予以高度評價,認為研究結果首次清晰展示了地球內部與空間的協同演變,為今後相關區域考古磁學工作提出了新方向,也為當今SAA區域研究提供了新思路。

“作者利用古代朝鮮的曆史極光記錄,為地球發電機提供了一個令人興奮的新視角。”一位審稿人說。

破譯曆史 預測未來

科學研究表明,近幾十年來,SAA的磁場還在持續減弱,范圍也在不斷移動和擴大,磁暴期間赤道極光越來越頻繁地被觀測到,一些地方甚至肉眼可見。

那麼,地球是否可能再次發生磁極倒轉的情況呢?“如果全球性的磁場減弱持續發展,則有可能迎來下一次地磁倒轉。”何飛表示,“但這只是推測,因為曆史上地磁倒轉的發生並沒有固定的規律,地球曆史上已知的地磁倒轉發生間隔不等,上一次倒轉發生在78萬年前。”

科學家已經通過“蛛絲馬跡”發現地磁倒轉和地磁異常帶來的影響。

例如,美國卡耐基研究所的科學家在分析遠古岩石中的磁場極性時發現,在距今10億年至6.5億年之間,地球出現了多個磁極,導致地球磁場混亂。而恰巧在這段時間里,地球出現了雪球事件、寒武紀滅絕事件等與生命有關的重大自然事件。他們推測,磁場的混亂可能是導致這些事件發生的原因。

近日,英國利物浦大學的研究人員對蘇格蘭東部古熔岩流的岩石樣本進行分析後發現,在4.16億至3.32億年前,這些岩石中保存的地磁場強度不到今天的1/4。而科學研究表明泥盆紀—石炭紀(4.19億~2.86億年前)的大規模滅絕與較高的紫外線輻射有關。作者表示這說明了弱磁場對地球生命的影響。

由此可見,破譯過去地磁場強度的變化具有重要意義,它可以提供數億年來地球深部過程的變化,進一步豐富和完善地球發電機過程,並為未來地磁可能如何波動或倒轉提供線索。

“我們的這項工作只是初步的,未來應加強在我國南海、東南亞地區、孟加拉灣地區的考古磁學和古地磁研究,豐富和完善公元1800年之前的地磁記錄,為構建准確的WPA演化模型提供基礎數據,並為預測地球磁場的未來演變提供堅實的依據。”何飛說。http://t.cn/A6M7j6jR

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