太阳风与地球磁场的互动，产生了许多绚烂的夜光秀。如图是加拿大北方的极光。这种绚丽的光线提醒着我们，地球磁场罩十分重要，时刻在保护我们星球免受辐射侵扰。
图源：ESA/NASA
撰文：MAYA WEI-HAAS
Yves Gallet在西伯利亚东北部一座陡峭的石坡上努力地保持平衡，脚下一条碧绿的河流不慌不忙地从山下起伏的地貌中淌过。不过，来自法国巴黎地球物理研究所的他根本无心欣赏。他的眼睛盯在岩石上，脑海里只有一个想法：描绘出地球磁场的历史。
地球磁场，就像是一个保护罩，使地球免受太阳持续辐射的影响。在地球46亿年的历史中，磁场曾多次倒转，变换南北极，而一些研究者推测下一次磁极倒转近在眼前。尽管关于地磁末日的鼓吹有些杞人忧天，但地磁倒转确实可能会带来一些破坏性影响，比如会增加辐射暴露，会造成技术性破坏，因而，了解地球历史上的地磁倒转，并非只是满足好奇心而已。
如今，Gallet及其同事已经发现了有记录的、地磁倒转频率位居前列的证据。根据他们近日发表在《地球与行星科学通讯》上的论文，在那段极其混乱的时间里，地球每隔100万年经历了26次地磁倒转，这一频率比过去1000万年间的频率高5倍多。
美国佛罗里达大学古地磁学家Joseph Meert（未参与本研究）称，这一发现与日益增多的证据表明，地球磁场倒转得比我们想象得更加频繁。这类研究正在逐渐填补地球磁场研究的空白，并帮助科学家们更深入地理解这类地质现象发生的时机与原因，并且可能暗示着地磁的极度活跃对早期生命产生过影响。
地球永不休止的磁极
在地表下约2900千米深处，外地核里熔融的铁和镍产生了地球磁场。经年累月，地球磁场的种种变动都被富含铁的、与磁场影响密切相关的矿物质记录下来，而当沉积岩形成或岩浆冷却时，这些矿物质就被封印起来，就好像凝结在时间里的一根根指南针。
根据这些岩石记录，我们的磁极在大约78万年里都未曾发生过倒转，但在此之前，它们却并未停歇过，每隔大约20万年就倒转一次。不过，也有一段较长的时间里，地磁极比较稳定，比如在大约1亿年前的白垩纪期间，就有约4000万年的稳定期。
地磁倒转有多快？为了回答这个问题，Gallet及其同事们乘坐直升机、充气筏，攀爬上不稳定的悬崖，寻找大约5亿年前中寒武世时期散落的点滴线索。塑造这一地区的沙粒曾经处在一片温暖的浅海中，沉积物里的矿物质漂流至海床上，并在压力下形成新的岩层。
本世纪初，Gallet及其同事们第一次来到这里,，从几近垂直的岩面上采集了119份样品。他们研究发现，在中寒武世的某个时期，每隔1百万年，地球起码经历了6-8次地磁倒转。
科学家在西伯利亚所谓的Khorbusuonka地区的岩壁上收集了岩石样本。这些岩石富含铁，记录着地球大约300万年历史片段的地磁信息。
图源：YVES GALLET
“我们当时并未想到倒转频率有这么高。”Gallet在电子邮件中写道。他强调，当时，科学家认为4-6次倒转就已经很高。他们的研究结果让他和同事们不禁怀疑自己，觉得需要采集更多样本。于是，2016年夏，他们又返回那里，采集了约550块10-20厘米见方的岩石。对这些岩石所含地磁信息的分析，验证了他们之前的研究：在岩石样本覆盖的300万年间，他们共检测到惊人的78次地磁倒转。
Gallet说：“我们预计会有很高的地磁倒转频率，但却没有想到有这么高。”他指出，其中22个岩石样本只记录了一次倒转，表明真实的地磁倒转频率可能更高。
磁极翻飞
截至目前，这项研究带来的问题比带来的答案还多。我们不清楚那一时期的磁场为什么那么亢奋，也不清楚它为何又那么快地沉寂下来。
有一种猜测认为：这些早期的倒转，与地球的固态内核的冷却与结晶化过程相关。许多研究表明，这一过程始于大约6亿年或7亿年前，或许中寒武世时期密集的地磁倒转就来自于地球内核形成的晚期。不过，这一猜测还有许多不确定性。
英国利物浦大学的地质学家Annique Van der Boon（未参与本研究）称：“要想知道地核及其行为极为困难。我们看不到它，也到不了那儿去。”
美国佛罗里达大学古地磁学家Joseph Meert指出，另外一个与该时期的高翻转率相当的时期是距今约5.5亿年至5.6亿年前的埃迪卡拉纪，这一时期有大量生物灭绝。研究表明，埃迪卡拉纪的地磁倒转极其微弱，因此可能使地球上的早期生物暴露在了环境严酷的地表条件下。
Meert说：“借用《星球大战》的说法，我们的防护罩摘了下来，让宇宙的各种辐射轰击地球表面。”或许正是这种过量的暴露害死了埃迪卡拉纪柔软湿滑的一众小生命，因为其中很多生物都未能移动到遮挡太阳的遮盖物下。但是，科学家却没有发现与中寒武世期间超高的地磁倒转频率相对应的大灭绝事件，相反，该时期的生命形式正在经历大爆发。Meert推测，或许是进化帮助了这些生物，因而有许多穴居动物或其它能找到遮挡物的动物躲开了有害的太阳射线。不过，他说，眼下这一切都只是推测。
磁性疑问
有意思的是，这些地磁变换似乎有一定周期性，其中未发生地磁倒转的持续期每隔1.5亿年就会出现一次。在这些稳定期之间，地球磁场似乎会以每一百万年5次的频率倒转，而这些倒转期中间又间或出现极度活跃的爆发期。
Meert说，根据这些约略的周期，地球磁场似乎正在迈向另一个爆发期。不过他提醒说还存在很多不确定性。而且，即便下一次地磁倒转即将发生，从我们人类的视角来看，地磁倒转也十分缓慢，因为磁极倒转要经历几千年时间。
他说：“这可不是放电影，你某天醒来后发现指南针指向南方而第二天就指向了北方。”
英国利物浦大学的地质学家Annique Van der Boon解释说，破解地磁变化周期律的另一个大难题在于，这类记录都非常分散。如此古老的岩石通常都随着大陆碰撞而被压碎、变形，使许多古老的记录模糊化。他研究的岩石更加分散，其中记录了大约4亿年前地磁倒转频率正在升高的一个时期。
她说：“我有点儿嫉妒这项研究的数据，因为它看起来真的太好了。”
德国慕尼黑大学的地磁学家Florian Lhuillier认为，尽管研究人员在艰难的条件下已经尽力，但这一研究结果仍需要地球其它地方的验证，以证实这确实是一个全球性的事件。他还希望能看到来自火山岩的类似证据。这类岩石中蕴藏的矿物质同样能在岩浆冷却成岩石的时候记录下磁场。然而，沉积物在变成岩石的过程中会被压碎、夯实，化学性质可能会发生变化，因而可能会干扰我们对磁场位置的判断。
不过，这项研究仍然能让我们一窥我们星球疯狂的过往，并且给我们的谜团中注入了大量新鲜的数据。英国利物浦大学的地球学家Courtney Jean Sprain称，接下来的一个任务就是用计算机模型来排列这些数据：“现在，我们可以开始运行一些计算机模型，然后说，好吧，这可能意味着什么呢？”
