恐龍滅絕與地磁倒轉有關嗎 _恐龍

恐龍滅絕與地磁倒轉有關嗎（插圖）
（報道）據北京日報：極光由太陽風帶電粒子刺破大氣層所致，導致空氣發光。綠色是極光最常見的顏色，由氧分子遭到轟擊形成。如果地球磁場減弱，太陽風帶電粒子會越來越多地進入大氣層。
新聞背景
關于地磁倒轉對地球生物生存環境到底會帶來什么樣的影響，一直是人們很感興趣的一個問題，科學界對此也是爭論不休，并沒有一致的權威看法。
據中科院網站消息，中國科學院地質與地球物理研究所研究員魏勇與國內外學者合作開展了針對性研究，并提出了一種全新觀點——地磁倒轉與生物大滅絕應該是“多對一”的對應關系，即地磁倒轉對生物生存環境造成的損害應該是長期的、可積累的。本版特約主要研究作者就相關問題向讀者做科普解讀。
眾所周知，只要我們手中有一個指南針，地磁場就能告訴我們南北。地磁場起源于地球的心臟——地核，其半徑大約為月球半徑的兩倍。地核分為固體的內核和流體的外核，外核中充滿了以鐵為主要成分的流體，這些流體的對流運動仿佛地球的“心跳”，由此產生了地磁場。
地磁場穿越厚達3000公里的地幔與地殼達到地表，并遠遠地延伸到太空中去。太空中的這一部分地磁場，人們類比“大氣層”的叫法，稱之為“磁層” 。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）那么遠，而在遠離太陽的一側可以達到上千個地球半徑。由于帶電粒子遇到磁場后運動方向會發生偏轉，巨大的磁層把地球包裹于其中，并對地球生物圈有雙重保護作用：一是避免外來的高能帶電粒子入侵，二是減少大氣層中的帶電粒子逃逸。所以，一旦磁層變小了，保護作用也會隨之變小。人們最為熟知的磁層變小的情況，正是地磁倒轉。
地球的心跳紊亂
地磁倒轉是指地球磁場方向發生變化，也就是北磁極和南磁極的對調，該過程伴隨著磁場強度先減弱后增加。
地磁倒轉從發現到被普遍接受經歷了一個漫長的過程。早在17世紀，人們就已經注意到了強磁化的巖石對羅盤指針有明顯的影響。到18世紀中葉，一些學者發現某些巖石是沿著地磁場被磁化的。這一發現告訴人們，某些古代的巖石是可以記錄下當時的地磁場信息的。20世紀初，法國科學家大衛和布容對自然烘烤（即被熔巖流烘烤）物質進行了研究，他們發現這些物質所顯示出的磁化方向與當前地磁場方向相反。于是，科學家們大膽地猜測地磁場在歷史上曾經發生過極性倒轉。
瑞士冰川學家莫坎頓得知此事后猜想：如果地磁場發生倒轉，那么它一定是全球性的現象，應該在全球各地都能看到。為了證實這個想法，他在1910至1932年間跑了北半球和南半球的許多地方去研究火山熔巖，證實了磁場的反向是一個全球性的現象。但是當時尚無技術能確定極性倒轉發生的時間。直到1963年，美國科學家考克斯和同事利用精確的定年技術證實了極性倒轉的全球等時性，地磁倒轉這一概念才開始被人們廣為接受。
地磁場為什么會倒轉？2005年在《科學》雜志紀念創刊125周年的時候，列出了人類面臨的最重要的125個問題，其中就有這個問題。人們尚不確定它是如何發生的。在現有的研究中，人們發現地磁倒轉時期外核的對流是紊亂的，因此可以說地磁倒轉是地球的“心跳紊亂” 。人們也不知道如何預測它何時發生。地磁倒轉平均持續7000多年，倒轉期間地磁場強度降低了約90% 。歷史上它最快每隔1萬年就能發生一次，最慢相隔4千萬年才發生一次。上一次地磁倒轉發生在78萬年前，那么下一次呢？
從1840年以來，地磁場強度持續降低，平均每一百年就降低6%，因此，在2012末日傳說流傳出來之前，就有人開始懷疑地磁倒轉已經開始。但是如果考察過去幾千年的磁場變化就可以發現，目前的“降低”仍屬正常的波動范圍，尚無理由相信這是值得大驚小怪的。
地磁倒轉與生物大滅絕
“一對一”的失敗
人們很早就通過觀察化石發現有些生物發生了滅絕。當1963年地磁倒轉引起研究熱潮之時，加拿大地球物理學家烏芬想起了4年前美國人的一個發現：地球上空3至6個地球半徑的距離處存在一個輻射帶，里面充滿了能夠損傷生物的高能粒子。他于是提出了一個大膽的猜想：在地磁倒轉時期，地球磁場減弱為零并持續幾千年，于是被捕獲在輻射帶中的高能粒子被“傾倒”于地面，造成生物滅絕。
這個猜想觸發了近20年的研究熱潮。科學家分成兩個陣營，支持派持續尋找證據和發展理論，反對派則不斷否定。1971年，澳大利亞科學家克雷恩對比了當時比較粗糙的地磁倒轉頻率和生物滅絕率，發現兩組數據相關系數非常高（0.912），成為一個決定性的證據。
然而，進入上世紀80年代以后，地磁倒轉與物種滅絕的研究逐漸從人們的視野中消失。為什么會這樣呢？
第一個原因發生在1980年。是年，美國科學家阿爾瓦雷斯父子領導的研究團隊在《科學》上發表了長達14頁（正常篇幅4頁）的論文，以地層中的銥元素為證據提出小行星撞擊導致了白堊紀末期的以恐龍為代表的一大批生物的大滅絕。翔實的證據、新穎的思路、恐龍滅絕的悲劇色彩、甚至作者此前的諾貝爾獎光環，都引起了學界的研究熱潮和公眾的街談巷議。從學術論文、科普著作、科幻作品直到好萊塢電影，無不迅速聚焦于此。
第二個原因發生在1982年。是年，美國科學家勞普和塞普科斯基發現顯生宙（過去的5.5億年）中的生物滅絕率有5個大的峰值，即五次生物大滅絕。顯生宙有數百次的地磁倒轉，根本無法一對一地解釋五次大滅絕。從此，地磁倒轉與物種滅絕研究的論文也在文獻中逐漸走向“滅絕” 。
那么，克雷恩在1971年就發現的地磁倒轉與物種滅絕之間的高相關性僅僅是一個巧合嗎？
三十年后再探索
“多對一”的突破
地磁倒轉與生物大滅絕之間因果關系的研究沉寂了三十年。這三十年里，地磁倒轉記錄數據庫和生物化石數據庫都有大規模擴增，考古材料的定年方法也更為先進和精確。一個最重要的發現是，生物大滅絕并非一個瞬間悲劇，而是一連串的脈沖式的滅絕組成的持續上百萬年甚至數千萬年的長期過程。因此物種大滅絕的誘因必定是長期的環境惡化，而小行星撞擊，也許只是壓垮駱駝的最后一根“稻草” 。
2005年，美國科學家休伊和沃德發表研究結果表明，大氣氧含量的下降很可能正是當時環境惡化的主要表現。當氧含量從當前的21%下降到16%時，海平面以上的絕大部分生物都將窒息。顯生宙期間大氣氧含量曾反復下降，并且與生物滅絕率有很好的相關性。但是，大氣氧含量為何下降，卻又是一個未解之謎。
這些氧跑到哪里去了呢？筆者與合作者在進行了詳細研究之后認為，地磁倒轉期間磁場減弱，那么前文所提到的磁層對地球的第二個保護作用“減少大氣層中的帶電粒子逃逸”也會減弱。氧會不會在被太陽輻射電離變成氧離子后逃逸掉了？最重要的是，高能粒子的入侵對生物圈造成的損害是不可積累的，而氧逃逸是可積累的，可以是“多對一”的關系。經過了仔細的理論研究和模擬之后，我們確認了這種可能性的存在。如果這個想法的確是正確的，那么我們所推斷出的事情的經過是這樣的：在長達數百萬年的時間里，地磁倒轉頻率升高，地磁場對氧離子的保護作用頻繁減弱，氧離子逃逸率頻繁增加，導致大氣氧含量持續下降，并最終降至誘發生物大滅絕的閾值。
【恐龍滅絕與地磁倒轉有關嗎】關于過去曾經發生的五次大滅絕，當前學術界已普遍認為是多種原因同時作用的結果。小行星撞擊、火山噴發、地磁倒轉……為什么如此多的災難會同時發生？是什么造成了地球的心跳紊亂？在徹底證實之前，再完美的理論也只是理論。所以這個問題仍未終結。恐龍滅絕的原因和地磁倒轉的原因一起被《科學》雜志列入最重要的125個問題。2012末日傳說不再，而生物滅絕之謎依舊。