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Science:四万两千年前的全球环境危机
2021-03-26 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  地磁场是地球重要的基本物理场之一,它源自地球外核流体运动,携带了地球内部的重要信息。地磁场阻挡了大量宇宙射线和太阳风高能粒子的侵袭,保护着地球上的生命。地磁漂移是指地球磁场的长期变化中存在的某些“异常”变化,当虚地磁极(VGP)的纬度变化超过45°时,可认为发生了地磁漂移事件。大多数地磁漂移表现为地磁极的反向变化(Roberts, 2008),并伴随地磁场强度的减弱,随后地磁极逐渐回到漂移前的方向,这个过程持续约几千年。地磁漂移事件发生时,地磁场强度变低,对于高能宇宙射线的屏蔽作用减弱,大量的高能带电粒子进入地球大气层,影响地球环境和生命。但地磁漂移事件对地球环境与生命会造成哪些影响及其造成这些影响的机制,目前仍不清楚。研究地磁漂移期间的地磁场和地球环境变化,对于了解地磁场对环境与生命的影响机制有重要意义。 

  拉尚漂移(Laschamps Excursion)是发生在大约42-41 ka的一次相对较短时间(<1000年)的地磁漂移事件,1969年首次在法国奥弗涅区的拉尚熔岩流的古地磁研究中发现 Bonhommet and Zahringer, 1969),随后在全球多地火山碎屑与沉积物中报道,是研究地磁场极性变化影响的最好时期之一。虽然对格陵兰冰芯的研究未能揭示拉尚漂移对高纬度古气候的影响(Wanger, 2001),但拉尚漂移时期,大洋洲和安第斯山脉出现了局部冰川最大值,大气环流模式也发生了变化,澳大利亚发生了整个大陆的干旱化和巨型动物的灭绝。此外,该时期到达地球大气层的太阳和宇宙辐射水平显著增加,大气电离作用增强,臭氧水平减弱。这些环境变化的时间大致与拉尚漂移的时间一致,但由于对拉尚漂移发生的准确时间以及持续时间未能给出精确限定,先前研究尚不能确定这些环境变化与拉尚漂移事件之间是否存在因果联系。 

  近日,南澳大利亚博物馆的Alan Cooper等人针对拉尚漂移开展了年代学以及与环境变化的关联性研究。利用新西兰生长于42 ka前具有1700年年轮的贝壳杉(Kauri Tree)古树中记录的14C变化信息,结合气候模型模拟结果,将地磁场倒转与大规模的环境变化联系起来,认为在42-41 ka之间,地磁极发生了短暂的倒转,并引发地球一系列的环境危机,并可能对当时澳大利亚的大型哺乳动物的灭绝,尼安德特人从欧洲的消失与智人占据统治地位,欧洲和亚洲开始出现洞穴壁画等产生了影响。 

  由于地磁场保护着地球免受来自外太空宇宙射线的辐射,当地磁场减弱时,进入大气层的宇宙射线变多,更多的14C由此产生,沉降的14C会被树木吸收并保留,因此14C的变化可以反映当时地磁场的变化。通过对四棵古树化石横截面进行14C同位素分析,并结合古树的年轮数据获得了一份能够精确测定年代、连续1700年变化的大气放射性14C记录。将其与中国葫芦洞的14C曲线(Cheng, 2018)对照,得到了贝壳衫-葫芦洞14C变化曲线(图1)。 

1 拉尚漂移期间的大气放射性碳浓度变化以及与关键环境数据的比较(Cooper et al., 2021

  该曲线揭示,地磁场最显著的减弱并非发生在地磁极倒转期间,而是在发生地磁极倒转之前约500年中,即大约42.3-41.6 ka前。在此期间,磁场强度减小到现今地磁场强度的0-6%,而在磁极倒转期间,地磁场的强度约为现今的28%,这一现象作者称之为“亚当斯地磁场过渡事件”。亚当斯地磁场过渡事件时期同时与太阳活动的极小期(Grand Solar minima)对应。 

  采用贝壳衫-葫芦洞14C变化曲线对多个42 ka附近的气候环境事件进行重新标定,发现这些气候环境变化均与亚当斯地磁场过渡事件时间一致。例如,奥克兰群岛Pillar Rock地区沉积记录揭示的南半球中纬度西风带向两极的倾斜发生在42.23±0.2 ka;西太平洋赤道附近苏拉威西岛托乌蒂湖沉积记录显示ITCZ的偏移发生在42.35±0.2 ka(图2)。这些气候变化均与拉尚漂移之前地磁场强度最小的地磁场过渡阶段年龄一致。同时,该阶段太平洋周围发生的重大环境变化还导致了安第斯山脉中南部局部冰川的扩张,澳大利亚巨型动物灭绝的高峰期(~42.1 ka),澳大利亚东北部林奇火山口大量燃烧的植物痕迹(41.91±0.4 ka),澳大利亚内陆湖的消失等。其他比较显著的影响还有尼安德特人从欧洲消失,智人占据统治地位,欧洲和亚洲开始出现大量洞穴壁画等。因此,拉尚漂移时期地磁场强度显著减弱可能是气候和环境一系列剧变的原因。 

2 42 ka亚当斯事件的气候和环境变化(Cooper et al., 2021    

  该研究同时建立了全球化学气候模型(SOCOL-MPIOM),使用现代地磁场偶极矩(M)和平均太阳调制势(f)的现代值对拉尚漂移前的全球环境条件进行了一系列模拟,包括拉尚漂移时期减弱的地磁场对应的两种强弱的太阳活动状态。模拟结果显示,当地磁场减弱(对应拉尚漂移时期)与太阳调制强度减小时(对应太阳极小期),大气电离作用大大增加,导致氢氧和氮氧化物(HOxNOx)的大量生成,降低了平流层的O3混合比(~5%),增加了对流层的O3混合比(~5%),整个大气的臭氧水平也随之改变(图3)。这些改变会对中高纬度地区的气候产生影响,在北半球,臭氧浓度降低改变了赤道到两极的温度梯度,减弱了北极的极地涡旋,导致极地平流层的暖效应增加。在南半球可能对中纬度气流和亚热带降水模式产生影响,但此处模拟的显著性小于10%,需要更长时间的运行来证实。 

3 地磁场变弱和太阳活动极小期对全球化学(气候)的影响(Cooper et al., 2021

  虽然与拉尚漂移期间地磁倒转相关的直接影响只持续了800年,但许多上述同步变化持续了数千年。该研究认为,可能是随着地球的轨道结构趋向完全冰期状态,全球海洋环流受到限制,气候系统可能对拉尚漂移前后相对较短但十分极端的驱动变化十分敏感。比如,在3937 ka,北美劳伦冰盖的某些部分可能已经扩大了1000公里以上,但在42 ka,北美劳伦冰盖的局部最小范围开始迅速扩大。而它的扩大使得整个太平洋的大气环流重组。这种半球尺度对突然驱动的反应与由Pillar Rock研究揭示的南半球中纬度西风的同步运动相一致。因此,该研究认为中低纬度在42ka左右同时发生的气候和环境影响,与拉尚漂移之前的地磁场减弱是可以对应的。 

  总之,该研究将地磁强度漂移与全球气候和环境变化联系起来,揭示了地磁场强度变化和宇宙辐射变化的叠加可以影响全球气候变化,这一发现为气候突变的成因提供了新的见解。但地球磁场在历史时期发生过很多次倒转与漂移,这些地磁场倒转和漂移事件,特别是超静磁期结束后的地磁场倒转,是否会对当时的地球环境产生了影响,仍需要不断探索。    

  主要参考文献 

  Bonhommet N , J ZaHringer. Paleomagnetism and potassium argon age determinations of the Laschamp geomagnetic polarity event[J]. Earth & Planetary Science Letters, 1969, 6(1):43-46.  

  Cheng H, Edwards R L, Southon J, et al. Atmospheric 14C/12C changes during the last glacial period from Hulu Cave[J].Science, 2018, 362(6420):1293-1297.  

  Cooper A, Turney C S M, Palmer J, et al. A global environmental crisis 42,000 years ago[J]. Science, 2021, 371(6531): 811-818.原文链接 

  O’Connor S, Ono R, Clarkson C. Pelagic fishing at 42,000 years before the present and the maritime skills of modern humans[J].Science, 2011, 334(6059): 1117–1121. 

  Roberts, A P. Geomagnetic excursions: Knowns and unknowns[J].Geophysical Research Letters, 2008, 35(17):L17307.  

  Wagner G , Livingstone D M , Masarik J , et al. Some results relevant to the discussion of a possible link between cosmic rays and the Earth’s climate[J].Geophysical Research Letters, 2001, 106: 3381–3387.     

  (撰稿:樊耘畅/地星室,赵盼/岩石圈)

 
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