地球是一個(gè)從內(nèi)部（地核）到空間（磁層）多圈層耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。該系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，即與人類(lèi)和其他生物生存緊密相關(guān)的大氣圈、生物圈和水圈等圈層，不僅被內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)過(guò)程控制，還受到空間的各種物理過(guò)程的影響。地質(zhì)記錄數(shù)據(jù)展示出的各種演化行為和重大事件的驅(qū)動(dòng)因素，往往是起源于內(nèi)部、耦合于空間、并牽涉到物質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)移的各種過(guò)程的疊加。
地球顯生宙階段的演化，有三個(gè)參數(shù)呈現(xiàn)出有趣的相關(guān)性：地磁倒轉(zhuǎn)頻率、大氣氧含量和生物數(shù)量（圖1）。早在1963年就有人提出，地核變化所導(dǎo)致的磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)可能是生物大滅絕的原因。人們?cè)J(rèn)為地磁倒轉(zhuǎn)期間地球失去磁場(chǎng)的保護(hù)，外來(lái)的高能粒子等"殺手"得以危害生物圈。后來(lái)隨著數(shù)據(jù)的逐漸豐富，地磁倒轉(zhuǎn)頻率與生物數(shù)量的相關(guān)性逐步得到證實(shí)。但是，這些數(shù)據(jù)反而否決了人們最初的思路：顯生宙有近千次地磁反轉(zhuǎn)，卻只有5次全球性的大滅絕；人類(lèi)在數(shù)百萬(wàn)年的演化過(guò)程中曾經(jīng)歷過(guò)數(shù)十次地磁倒轉(zhuǎn)，卻并未滅絕。于是，地磁倒轉(zhuǎn)與生物滅絕的因果關(guān)系受到廣泛質(zhì)疑。2005年，人們又發(fā)現(xiàn)了大氣氧含量與生物數(shù)量的相關(guān)性，于是開(kāi)始致力于研究其間的因果關(guān)系。但是，這個(gè)因果關(guān)系鏈的上游環(huán)節(jié)——氧含量下降的成因，仍是一個(gè)無(wú)解的問(wèn)題。
地質(zhì)地球所地磁與空間物理研究室魏勇研究員與北京大學(xué)、清華大學(xué)、德國(guó)馬普太陽(yáng)系研究所等單位的學(xué)者合作開(kāi)展了針對(duì)性研究，并提出了全新的觀(guān)點(diǎn)：首先，地磁倒轉(zhuǎn)與生物大滅絕應(yīng)該是"多對(duì)一"的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而非傳統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為的"一對(duì)一"關(guān)系，即地磁倒轉(zhuǎn)對(duì)生物生存環(huán)境造成的損害應(yīng)該是長(zhǎng)期的、可積累的；其次，地磁倒轉(zhuǎn)造成磁層保護(hù)作用減弱既能造成高能粒子入侵，又使得氧離子逃逸加劇，但只有氧離子逃逸是可積累的；最后，相比當(dāng)前的氧逃逸的情況，地磁倒轉(zhuǎn)期間的氧逃逸機(jī)制更接近于當(dāng)前的火星（圖2）。
在地球和行星的空間環(huán)境中，驅(qū)動(dòng)粒子逃逸的主要因素是太陽(yáng)風(fēng)。該合作團(tuán)隊(duì)分別使用了恒星演化模型和位于天蝎座南部的一顆比太陽(yáng)年輕3億年以上的恒星18 scopii來(lái)近似求取顯生宙太陽(yáng)風(fēng)的變化范圍。削弱行星粒子逃逸的主要因素是內(nèi)稟磁場(chǎng)。地核中存在活躍的發(fā)電機(jī)，其所產(chǎn)生的磁場(chǎng)延伸到空間形成磁層，阻止太陽(yáng)風(fēng)與空間粒子直接接觸，從而削弱其剝蝕效應(yīng)；而當(dāng)前火星沒(méi)有發(fā)電機(jī)，僅有微弱的巖石剩磁，據(jù)估計(jì)其發(fā)電機(jī)可能在幾十億年前已經(jīng)停止。由于缺乏磁場(chǎng)的保護(hù)，火星上水幾乎已逃逸殆盡。他們采用比較行星學(xué)的方法，改造火星氧逃逸的模型應(yīng)用于磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)時(shí)期的地球，對(duì)氧粒子逃逸率的變化情況進(jìn)行了估算。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，地磁倒轉(zhuǎn)期間氧逃逸率可增加1000倍以上，量級(jí)上接近1986年哈雷彗星飛掠地球軌道時(shí)所測(cè)得的氧損失率，其累積結(jié)果可以解釋大氣氧含量的下降，從而證實(shí)了新觀(guān)點(diǎn)的可能性。
這項(xiàng)研究對(duì)地磁倒轉(zhuǎn)和生物大滅絕的因果關(guān)系提出了新的解釋?zhuān)涸陂L(zhǎng)達(dá)數(shù)百萬(wàn)年的時(shí)間里，地磁倒轉(zhuǎn)頻率升高，地磁場(chǎng)對(duì)氧粒子的保護(hù)作用頻繁減弱，氧粒子逃逸率頻繁增加，導(dǎo)致大氣氧含量持續(xù)下降，并最終降至誘發(fā)生物大滅絕的閾值。該研究結(jié)果不僅為建立"地磁倒轉(zhuǎn)-氧逃逸-生物滅絕"因果關(guān)系鏈提供了理論依據(jù)，還為地球與行星物理的綜合研究提供了例證和思路。
該研究成果近期發(fā)表在國(guó)際知名地學(xué)期刊Earth and Planetary Science Letters（Wei et al. Oxygen escape from the Earth during geomagnetic reversals: implications to mass extinction. Earth and Planetary Science Letters, 2014, 394: 94-98）。
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