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古代赤道極光揭示西太平洋磁異常演化

2021-05-28 地質與地球物理研究所
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  在地球系統46億年演化進程中,偶極磁場的出現和演化改變了地球宜居環境演化的進程,與其他因素共同作用塑造了今天生機勃勃的宜居地球。地球磁場起源于地核發電機過程,而地核熱動力學和化學結構的變化則導致地磁場的顯著改變,磁偶極子減弱,磁多極子增強,甚至發生南北磁極的倒轉,即地磁倒轉,削弱對地球系統的保護,造成生物大滅絕。因此,磁場的起源和長期演化一直是地球系統科學關注的重點與難點。

  變化的地磁場在空間延伸,將地表2800 km以下的液態鐵核的運動與近地空間環境動力學聯系起來。當前地磁場顯著特征是南大西洋異常區(South Atlantic Anomaly,SAA),這是一個磁場強度顯著低于偶極磁場的區域,即負地磁異常區,其導致范艾倫輻射帶的高能粒子穿透大氣層更深,威脅近地軌道衛星安全。SAA范圍的增長和磁場強度的減弱與磁偶極矩的變化有關,而歷史上在該區域重現的低磁場強度被歸因于非洲下部低剪切速度地幔異常體(LLVP)對地核熱動力學和化學結構的影響。盡管地磁場重建模型揭示了更多SAA演化的細節,但通過研究其他類似的低磁場區域,可進一步增進對控制SAA動力學的物理過程的科學理解。由于SAA是目前唯一的負地磁異常區,因而需要在古地磁和其他相關歷史記錄中尋找其他的異常區。

  利用古代航海數據建立的gufm1全球地磁模型曾首次展示西太平洋地區在16-18世紀存在明顯的負地磁異常,即西太平洋地磁異常區(West Pacific Anomaly,WPA)(圖1)。WPA在地理上位于太平洋LLVP的西邊緣,正如SAA位于非洲LLVP的西邊緣,這表明WPA也可能像SAA一樣,是由地幔驅動的特征。由于模型不可避免的時間平滑處理,較短時間尺度上演變信息無法獲知。

圖1.WPA示意圖

  地磁場的結構對地球的大氣層和空間環境產生影響。在負地磁異常區內,沉降的高能粒子可達~100 km高度,在夜空中產生一種異于傳統紅色大氣氣輝的獨特的紅色赤道極光(何飛等,NSR,2020)。因此,除了從地球內部尋找WPA的證據外,通過大氣異?,F象也可以獲取WPA演化的線索。在WPA的北方,古代中國、朝鮮和日本保存了大量的歷史古籍。特別是在16-18世紀,古朝鮮保存了官方日記,持續而詳細地記載君王活動、國家事務、天氣、天象等信息。在天象記錄中,有一種被頻繁記錄的夜間大氣發光現象——“有氣如火光”,大部分位于朝鮮半島南方,其肉眼可見性和動態變化性表明,“有氣如火光”是赤道極光,由朝鮮半島南方的負磁場異常引起的高能粒子沉降產生(圖2)。中國科學院地質與地球物理研究所研究員魏勇帶領團隊,系統整理朝鮮古籍,發掘出公元1012-1811年的2013條極光記錄,相關古籍記錄已整理出版專著(《古代朝鮮極光年表》,魏勇、萬衛星,2020),并在JGR-Space Physics上發表了詳細的數據庫(王譽棋等,2020)。

圖2.朝鮮半島觀察赤道極光示意圖

  為了探尋赤道極光與WPA的聯系,刻畫WPA的演化特征,地質地球所研究員何飛、魏勇、副研究員蔡書慧,中科院院士朱日祥,聯合英國利茲大學教授Philip W. Livermore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WPA百年時間尺度的震蕩特征。研究首次清晰地展示了地球內部與空間的協同演變,為今后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。

  圖3顯示了公元1000-1900年,太陽活動、古極光和地磁場演變。古極光主要發生在1500-1800年,74%發生在朝鮮半島南方,表明古極光記錄主要是赤道極光。圖3C顯示的古極光發生的峰值(粉色包絡線)與圖3A中太陽黑子數表征的太陽活動趨勢是解耦的。1500-1800年,孟德爾極小期極弱的太陽活動不足以使北極光帶擴展到朝鮮半島以下的緯度,進一步表明古極光記錄顯示的是赤道極光。相反,古極光發生的峰值與朝鮮半島(圖3B)和西太平洋地區磁場強度(圖3D-3E)的顯著下降相吻合,兩者極值均出現在1650年附近,表明赤道極光發生的主要背景是朝鮮半島南方負地磁異常區的出現,即主要驅動因素是WPA。研究團隊進一步分析古極光記錄發生頻率發現,1500-1800年極光發生頻率出現了百年尺度的震蕩(圖3C藍色包絡線)。除了發生頻率,赤道極光發生的方位也出現百年尺度的震蕩(圖4),這表明WPA的位置、范圍可能發生了百年尺度的震蕩,但可能由于古地磁模型采用的時間和空間平滑,掩蓋了這一重要信息。

  圖3.1000-1900年,磁場和赤道極光演化。A、太陽黑子數和群黑子數演化;B、朝鮮半島磁場強度變化(曲線:模型預測,圓點:古地磁數據);C、古極光記錄數目變化;D-E、SHAWQ2k和CALS10k.2模型預測的東經127°子午線磁場強度演化

圖4.赤道極光方位和地磁場演化。A、不同方向歸一化發生概率;B-C、CALS10k.2模型計算的低于36000 nT和38000 nT磁場區域變化

  研究團隊進一步從地磁發電機的角度,探究地核動力學的變化是否能造成相當強度的地磁場減弱,進而驅動赤道極光的頻繁發生。根據古極光發生頻率和朝鮮半島稀疏的古地磁數據限定,科研人員利用多高斯函數擬合出其磁場強度變化規律(如圖3B中的淺藍色曲線所示)。假定朝鮮半島的磁場變化是由WPA變化引起,則WPA區域的磁場變化也應遵循類似的規律。由此,得到WPA區域的磁場變化速率需要達到100 nT/yr。研究團隊利用利茲大學地磁發電機模型,采用1590年的模型磁場作為演化背景,使用四種幾何構型的液態外核流模型進行約束和優化計算,結果顯示,WPA區域的磁場變化速率均超過了100 nT/yr(圖5)。最優化流結構并不是純粹環向的,均存在水平發散結構,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,每一次之后都有下降流或其他機制來重新增強磁場。類比當今南大西洋下方的反向通量塊(Reversed Flux Patch,RFP,核幔邊界上磁場方向與所在半球背景磁場方向相反),模擬結果表明,歷史上在東亞地區存在相似的結構和負地磁異常是合理的。

圖5.優化后的核幔邊界流場(A-D)、地表磁場強度變化(E-H)、CALS10k.2計算的1590年核幔邊界徑向磁場分量分布(I)和強度變化速率分布(J)

  該研究首次清晰地呈現了地球內部與空間的緊密聯系,內部影響空間,空間反映內部。WPA的演化對于理解當今SAA的演化和地磁場的整體變化具有重要的指示作用。過去幾十年以來,SAA強度一直在持續減弱,范圍在不斷擴大,未來是否會發生下一次地磁倒轉,尚屬未知。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1800年之前的地磁記錄,為構建準確的WPA演化模型提供基礎數據,從而為預測地球磁場的未來演變提供堅實的依據。此外,我們還應該加強從古籍文獻中發掘科學信息,為探知地球的過去打開一扇大門,并為預測地球的未來奠定可靠的基礎。

  相關研究成果發表在PNAS上。研究工作得到地質地球所重點部署項目、中科院戰略性先導科技專項(A類)、中科院青年創新促進會、英國自然環境研究委員會等的資助。

打印 責任編輯:侯茜

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