极光由太阳风带电粒子刺破大气层所致，导致空气发光。绿色是极光最常见的颜色，由氧分子遭到轰击形成。如果地球磁场减弱，太阳风带电粒子会越来越多地进入大气层。

魏 勇

　　新闻背景

　　关于地磁倒转对地球生物生存环境到底会带来什么样的影响，一直是人们很感兴趣的一个问题，科学界对此也是争论不休，并没有一致的权威看法。

　　据中科院网站消息，中国科学院地质与地球物理研究所研究员魏勇与国内外学者合作开展了针对性研究，并提出了一种全新观点——地磁倒转与生物大灭绝应该是“多对一”的对应关系，即地磁倒转对生物生存环境造成的损害应该是长期的、可积累的。本版特约主要研究作者就相关问题向读者做科普解读。

　　众所周知，只要我们手中有一个指南针，地磁场就能告诉我们南北。地磁场起源于地球的心脏——地核，其半径大约为月球半径的两倍。地核分为固体的内核和流体的外核，外核中充满了以铁为主要成分的流体，这些流体的对流运动仿佛地球的“心跳”，由此产生了地磁场。

　　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，人们类比“大气层”的叫法，称之为“磁层”。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以达到上千个地球半径。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，并对地球生物圈有双重保护作用：一是避免外来的高能带电粒子入侵，二是减少大气层中的带电粒子逃逸。所以，一旦磁层变小了，保护作用也会随之变小。人们最为熟知的磁层变小的情况，正是地磁倒转。

　　地球的心跳紊乱

　　地磁倒转是指地球磁场方向发生变化，也就是北磁极和南磁极的对调，该过程伴随着磁场强度先减弱后增加。

　　地磁倒转从发现到被普遍接受经历了一个漫长的过程。早在17世纪，人们就已经注意到了强磁化的岩石对罗盘指针有明显的影响。到18世纪中叶，一些学者发现某些岩石是沿着地磁场被磁化的。这一发现告诉人们，某些古代的岩石是可以记录下当时的地磁场信息的。20世纪初，法国科学家大卫和布容对自然烘烤（即被熔岩流烘烤）物质进行了研究，他们发现这些物质所显示出的磁化方向与当前地磁场方向相反。于是，科学家们大胆地猜测地磁场在历史上曾经发生过极性倒转。

　　瑞士冰川学家莫坎顿得知此事后猜想：如果地磁场发生倒转，那么它一定是全球性的现象，应该在全球各地都能看到。为了证实这个想法，他在1910至1932年间跑了北半球和南半球的许多地方去研究火山熔岩，证实了磁场的反向是一个全球性的现象。但是当时尚无技术能确定极性倒转发生的时间。直到1963年，美国科学家考克斯和同事利用精确的定年技术证实了极性倒转的全球等时性，地磁倒转这一概念才开始被人们广为接受。

　　地磁场为什么会倒转？2005年在《科学》杂志纪念创刊125周年的时候，列出了人类面临的最重要的125个问题，其中就有这个问题。人们尚不确定它是如何发生的。在现有的研究中，人们发现地磁倒转时期外核的对流是紊乱的，因此可以说地磁倒转是地球的“心跳紊乱”。人们也不知道如何预测它何时发生。地磁倒转平均持续7000多年，倒转期间地磁场强度降低了约90%。历史上它最快每隔1万年就能发生一次，最慢相隔4千万年才发生一次。上一次地磁倒转发生在78万年前，那么下一次呢？

　　从1840年以来，地磁场强度持续降低，平均每一百年就降低6%，因此，在2012末日传说流传出来之前，就有人开始怀疑地磁倒转已经开始。但是如果考察过去几千年的磁场变化就可以发现，目前的“降低”仍属正常的波动范围，尚无理由相信这是值得大惊小怪的。

　　地磁倒转与生物大灭绝

　　“一对一”的失败

　　人们很早就通过观察化石发现有些生物发生了灭绝。当1963年地磁倒转引起研究热潮之时，加拿大地球物理学家乌芬想起了4年前美国人的一个发现：地球上空3至6个地球半径的距离处存在一个辐射带，里面充满了能够损伤生物的高能粒子。他于是提出了一个大胆的猜想：在地磁倒转时期，地球磁场减弱为零并持续几千年，于是被捕获在辐射带中的高能粒子被“倾倒”于地面，造成生物灭绝。

　　这个猜想触发了近20年的研究热潮。科学家分成两个阵营，支持派持续寻找证据和发展理论，反对派则不断否定。1971年，澳大利亚科学家克雷恩对比了当时比较粗糙的地磁倒转频率和生物灭绝率，发现两组数据相关系数非常高（0.912），成为一个决定性的证据。

　　然而，进入上世纪80年代以后，地磁倒转与物种灭绝的研究逐渐从人们的视野中消失。为什么会这样呢？

　　第一个原因发生在1980年。是年，美国科学家阿尔瓦雷斯父子领导的研究团队在《科学》上发表了长达14页（正常篇幅4页）的论文，以地层中的铱元素为证据提出小行星撞击导致了白垩纪末期的以恐龙为代表的一大批生物的大灭绝。翔实的证据、新颖的思路、恐龙灭绝的悲剧色彩、甚至作者此前的诺贝尔奖光环，都引起了学界的研究热潮和公众的街谈巷议。从学术论文、科普著作、科幻作品直到好莱坞电影，无不迅速聚焦于此。

　　第二个原因发生在1982年。是年，美国科学家劳普和塞普科斯基发现显生宙（过去的5.5亿年）中的生物灭绝率有5个大的峰值，即五次生物大灭绝。显生宙有数百次的地磁倒转，根本无法一对一地解释五次大灭绝。从此，地磁倒转与物种灭绝研究的论文也在文献中逐渐走向“灭绝”。

　　那么，克雷恩在1971年就发现的地磁倒转与物种灭绝之间的高相关性仅仅是一个巧合吗？

　　三十年后再探索

　　“多对一”的突破

　　地磁倒转与生物大灭绝之间因果关系的研究沉寂了三十年。这三十年里，地磁倒转记录数据库和生物化石数据库都有大规模扩增，考古材料的定年方法也更为先进和精确。一个最重要的发现是，生物大灭绝并非一个瞬间悲剧，而是一连串的脉冲式的灭绝组成的持续上百万年甚至数千万年的长期过程。因此物种大灭绝的诱因必定是长期的环境恶化，而小行星撞击，也许只是压垮骆驼的最后一根“稻草”。

　　2005年，美国科学家休伊和沃德发表研究结果表明，大气氧含量的下降很可能正是当时环境恶化的主要表现。当氧含量从当前的21%下降到16%时，海平面以上的绝大部分生物都将窒息。显生宙期间大气氧含量曾反复下降，并且与生物灭绝率有很好的相关性。但是，大气氧含量为何下降，却又是一个未解之谜。

　　这些氧跑到哪里去了呢？笔者与合作者在进行了详细研究之后认为，地磁倒转期间磁场减弱，那么前文所提到的磁层对地球的第二个保护作用“减少大气层中的带电粒子逃逸”也会减弱。氧会不会在被太阳辐射电离变成氧离子后逃逸掉了？最重要的是，高能粒子的入侵对生物圈造成的损害是不可积累的，而氧逃逸是可积累的，可以是“多对一”的关系。经过了仔细的理论研究和模拟之后，我们确认了这种可能性的存在。如果这个想法的确是正确的，那么我们所推断出的事情的经过是这样的：在长达数百万年的时间里，地磁倒转频率升高，地磁场对氧离子的保护作用频繁减弱，氧离子逃逸率频繁增加，导致大气氧含量持续下降，并最终降至诱发生物大灭绝的阈值。

　　关于过去曾经发生的五次大灭绝，当前学术界已普遍认为是多种原因同时作用的结果。小行星撞击、火山喷发、地磁倒转……为什么如此多的灾难会同时发生？是什么造成了地球的心跳紊乱？在彻底证实之前，再完美的理论也只是理论。所以这个问题仍未终结。恐龙灭绝的原因和地磁倒转的原因一起被《科学》杂志列入最重要的125个问题。2012末日传说不再，而生物灭绝之谜依旧。