穿越千年,古赤道极光揭示地磁异常演化


 
穿越千年,古赤道极光揭示地磁异常演化  
 

提起绚丽多彩的极光,人们就会想到南北极。鲜为人知的是,在地球赤道上也有可能看到极光。

这种现象很多时候与地球磁场异常有关。人们都知道地球有南北两个对称的磁极,不过,地球上还有一些少为人知的地磁异常区——高于或低于同纬度地区磁场强度的正异常区或负异常区。赤道极光就与地磁负异常有关。

先别对飞往赤道看极光感到欣喜,地磁异常也是地球南北磁极倒转的一个潜在“先兆”。地磁倒转会削弱对地球系统的保护,甚至造成生物大灭绝。

南大西洋异常区(SAA)是今天地球唯一的负地磁异常区,能否通过历史上类似的异常区,增进人们对这一动力学过程的理解?在日前发表于美国《国家科学院院刊》的一项研究中,中国科学院地质与地球物理研究所(以下简称地质地球所)魏勇研究员带领的团队与英国利兹大学的合作团队利用一把“新钥匙”——千年古籍中记录的赤道极光,首次展示了地球内部与空间的协同演变。

“不安分”的地磁场

在地球系统46亿年演化进程中,磁场的出现和演化,与其他因素共同作用塑造了今天生机勃勃的宜居地球。

“地磁场穿越厚达3000公里的地幔与地壳达到地表,并远远地延伸到太空中去。太空中的这一部分地磁场包裹的空间即‘磁层’,在靠近太阳的一侧能达到10个地球半径(地球半径为6371公里)那么远,而在远离太阳的一侧可能达到上千个地球半径。”论文第一作者、地质地球所研究员何飞向《中国科学报》解释。

他表示,由于带电粒子遇到磁场后运动方向会发生偏转,巨大的磁层把地球包裹于其中,对地球生物圈产生了双重保护作用:避免外来的高能带电粒子入侵;减少大气层中的带电粒子逃逸。

地球磁场可以分为四大部分:主磁场、地壳异常磁场(也称岩石圈磁场)、外源变化场和地球内部感应磁场。这些磁场组份的物理起源和时空分布特征各不相同。现今主磁场——偶极磁场占地球磁场的97%。

在众多地球主磁场起源假说中,今天科学家们更认同“地核发电机”假说——地心外核中处于熔融状态的金属铁的持续对流过程。“如果说磁流体对流过程能够产生或增强磁场;那么磁扩散过程则恰好相反,它使磁场趋于均匀分布,并总是趋于衰减。这两个过程决定了偶极磁场的变化。”该项研究方案的设计者兼共同通讯作者、地质地球所研究员魏勇解释说。

 穿越千年,古赤道极光揭示地磁异常演化

地磁场来自于地球内部这台发电机 地质地球所供图

他表示,如果外地核某些区域的流动因地幔运动状态和热力学状态的改变出现异常,不足以补偿磁扩散引起的衰减,在长时间积累下,该区域就会表现出磁场强度明显低于其他区域,即负磁异常区。一旦磁层变小了,对该区域的保护作用也会随之变小。

“除了负地磁异常区,地球磁场也存在正磁异常区。”他说,目前地球磁场的三个正磁异常区分别位于北美洲北部、西伯利亚,以及南极大陆与大洋洲之间的海洋。

不止如此,他指出,“发电机”过程的剧烈变化还可能导致全球性磁场减弱,或是磁偶极子减弱、磁多极子增强,甚至发生南北磁极的倒转。

“当南北磁极调换,导致地磁保护层消失,宇宙辐射就会直接穿越到大气层里,其中就包括致命的射线。”魏勇说。此外,候鸟南飞北迁要依靠地磁场进行全球定位,人类的导航、卫星系统不少都是根据磁极判断方向。“一旦颠倒,天上飞的、地上爬的各种交通工具,就会‘碰碰车’,给人类带来巨大麻烦。”

古籍中的那束光

磁场的起源和长期演化一直是地球系统科学关注的重点和难点。赤道极光为破解这一难题照亮了一束光。

“事实上,极光(aurora)的本意是曙光,与南北极并没有任何关系。”魏勇解释说,现代科学之父伽利略在1619年率先使用了“aurora borealis”一词来称呼北极光,其后又有人使用“aurora australis”称呼南极光,久而久之, 它就具有了“极光”之义。天空中的大气发光现象种类繁多,但空间物理学家对极光现象有明确的界定:由太空中的带电粒子轰击大气粒子而产生。

“极光是高层大气中的一种特殊发光现象。从广义来讲,所有高能粒子与中性大气碰撞激发的光辐射都可称为极光。”何飞也表示,传统认为极光只发生在南北两极环绕磁轴的椭圆环带中(又称极光卵),这主要取决于偶极磁场在南北两极汇聚形成的特殊漏斗状结构。

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