地磁倒轉(zhuǎn)與生物滅絕因果關(guān)系研究五十年

魏勇，萬衛(wèi)星

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，中國科學(xué)院地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

1 引言

地球內(nèi)部的中心是地核，其半徑約為月球半徑的兩倍.地核發(fā)電機(jī)產(chǎn)生地磁場，將地球包裹于其中，對生物圈起到了重要的保護(hù)作用.根據(jù)最新的觀測研究結(jié)果，地核發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間早于34.5億年前（Tarduno et al.，2010），地球生命的出現(xiàn)時(shí)間可能早于37億年前（Ohtomo et al.，2014），也許甚至早于38億年前（Mojzsis et al.，1996）.因此，地磁場與生物圈的協(xié)同演化過程至少持續(xù)了30多億年.二者作為地球系統(tǒng)的一部分，被整個(gè)系統(tǒng)的演化所影響，同時(shí)也影響著整個(gè)系統(tǒng).

地磁場對生物的影響可分為兩個(gè)途徑.一是對生物本身的影響.人們已在細(xì)菌、昆蟲、軟體動(dòng)物、魚類、鳥類和人體中發(fā)現(xiàn)磁鐵礦顆粒，這種生物體內(nèi)磁性礦物被認(rèn)為是生物利用地磁場的“磁接收器”載體，許多候鳥、魚類和海龜?shù)葎?dòng)物能夠利用地磁場定向?qū)Ш?，進(jìn)行上千公里的長距離遷徙，趨磁細(xì)菌能夠在地磁場中定向和游移（潘永信等，2004；潘永信和朱日祥，2011）.二是對生物生存環(huán)境的影響.地磁場并非一直保持當(dāng)前的形態(tài)，而是存在各種時(shí)間尺度的變化，地磁場倒轉(zhuǎn)是最受關(guān)注的一種.地磁倒轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間在數(shù)千年（Clement，2004），其間地磁北極和地磁南極對調(diào).古地磁學(xué)研究結(jié)果顯示，在一次地磁極性倒轉(zhuǎn)發(fā)生前地磁場強(qiáng)度首先減弱，在極性轉(zhuǎn)換期間顯著地減弱至10%～20%，在極性改變之后地磁場強(qiáng)度快速增強(qiáng)（Merrill and Mcfadden，1999）.地磁場的減弱導(dǎo)致了其對生物圈保護(hù)作用的減弱，高能粒子入侵和大氣氧逃逸都可以對生物圈造成損害.

地磁倒轉(zhuǎn)在顯生宙歷史上重復(fù)發(fā)生，其發(fā)生頻率呈現(xiàn)出復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)特性（Cox et al.，1963；Mazaud et al.，1983；朱日祥等，1990；McFadden and Merrill，1997）.朱日祥等（1999）提出，地磁倒轉(zhuǎn)與多種地質(zhì)事件有關(guān)，而這種相關(guān)性可以通過地球內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)過程來理解.地磁倒轉(zhuǎn)與生物滅絕的因果關(guān)系假說于1963年首次提出（Uffen，1963），在20世紀(jì)60年代和70年代被廣泛研究，而后在80年代初期逐漸淡出.這種一次倒轉(zhuǎn)對應(yīng)一次滅絕的“一對一”假說在解釋數(shù)百次地磁倒轉(zhuǎn)與5次大規(guī)模滅絕的對應(yīng)關(guān)系的時(shí)候遭遇失敗.隨著地球與行星空間環(huán)境研究的發(fā)展，人們對于地磁場削弱大氣氧逃逸的理解越來越深刻.Wei等（2014）認(rèn)識到地磁倒轉(zhuǎn)會導(dǎo)致氧逃逸增加，并且多次地磁倒轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的大氣氧損失是可以積累的，從而提出了“多對一”假說.

五十年（1963—2014）過去，我們不僅沒有徹底理解地磁倒轉(zhuǎn)與生物滅絕的關(guān)系，反而更深刻地意識到這個(gè)問題遠(yuǎn)比之前想象的要復(fù)雜.事實(shí)上，無論是地磁倒轉(zhuǎn)這一現(xiàn)象的本質(zhì)，還是生物滅絕的原因，都是極為復(fù)雜的.《Science》雜志在2005年7月1日紀(jì)念創(chuàng)刊125周年時(shí)，列出了當(dāng)今125個(gè)最重要的科學(xué)問題，其中兩個(gè)分別是“What causes reversals in Earth′s magnetic field？”和“What caused mass extinctions？”.盡管如此，人們在五十年中仍然取得了許多重大進(jìn)展，其中一些對整個(gè)地球科學(xué)的發(fā)展都起到了重要推動(dòng)作用.本文嘗試梳理出五十年中地磁倒轉(zhuǎn)與生物滅絕因果關(guān)系研究歷史的大致脈絡(luò)，盡量避免歷史文獻(xiàn)的簡單羅列，著重討論一些突破性的和轉(zhuǎn)折性的工作，并結(jié)合歷史背景評價(jià)其對學(xué)科發(fā)展的貢獻(xiàn).

2 背景：地磁倒轉(zhuǎn)

地磁倒轉(zhuǎn)從發(fā)現(xiàn)到被普遍接受經(jīng)歷了一個(gè)漫長的過程.早在17世紀(jì)，人們就已經(jīng)注意到了強(qiáng)磁化的巖石對羅盤指針有明顯的影響.到18世紀(jì)中葉，一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)某些巖石是沿著地磁場被磁化的，于是推測某些古代的巖石可以記錄下當(dāng)時(shí)的地磁場信息.1906年4月21日，在法國物理學(xué)會的一次會議上，Brunhes報(bào)告了他的最新發(fā)現(xiàn)：法國中央高原的中新世時(shí)期的火山熔巖及其下方烘烤過的火山粘土都顯示當(dāng)時(shí)磁場的方向與目前的磁場方向相反.這一結(jié)果在當(dāng)年11月發(fā)表，他推測地磁場可能在過去發(fā)生過倒轉(zhuǎn)（Brunhes，1906）.地磁倒轉(zhuǎn)的概念正式提出.一百年后，Laj等（2002）利用最新技術(shù)重做Brunhes的研究，再次肯定了其結(jié)果的正確性.但是，這一地磁學(xué)歷史上里程碑式的發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)并未引起其他學(xué)者的重視.1910年，Brunhes在43歲時(shí)英年早逝，《Nature》雜志刊發(fā)的紀(jì)念短文（vol.83，no.2117，p.380，1910）僅稱贊了他在天氣預(yù)報(bào)方面的杰出貢獻(xiàn)，只字未提他在地磁倒轉(zhuǎn)研究上的創(chuàng)新.

瑞士冰川學(xué)家Mercanton得知地磁倒轉(zhuǎn)的概念后猜想：如果地磁場發(fā)生倒轉(zhuǎn)，那么它一定是全球性的現(xiàn)象，應(yīng)該在全球各地都能觀測到.為了證實(shí)這個(gè)想法，他在1910—1932年間到北半球和南半球的許多地方研究火山熔巖，發(fā)表了一系列的研究結(jié)果，證實(shí)了磁場的反向是一個(gè)全球性的現(xiàn)象（例如Mercanton，1932）.日本科學(xué)家 Matuyama（1929）進(jìn)一步證明了這個(gè)論點(diǎn)，他研究了從日本、韓國和中國東北地區(qū)36個(gè)地點(diǎn)所采集到的玄武巖樣本，發(fā)現(xiàn)所有反向磁化的巖石比上覆的正向磁化的巖石要老.至此，已經(jīng)可以肯定地磁場的極性確實(shí)曾經(jīng)與當(dāng)前情況相反，但是當(dāng)時(shí)尚無技術(shù)能確定極性倒轉(zhuǎn)發(fā)生的時(shí)間.其后的幾十年研究者們做出了很多努力，卻并未取得突破進(jìn)展.直到1963年，Cox等（1963）利用精確的定年技術(shù)證實(shí)了極性倒轉(zhuǎn)的全球等時(shí)性，地磁倒轉(zhuǎn)這一概念才開始被人們廣為接受.也正是這一年，地磁倒轉(zhuǎn)與生物滅絕的因果關(guān)系假說被提出.

其后大量的研究使我們認(rèn)識了地磁倒轉(zhuǎn)的一些大致特征.地磁倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象幾乎是從地磁發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后就開始了.目前已知最早的倒轉(zhuǎn)發(fā)生在32億年前（Layeret al.，1996），而最近的倒轉(zhuǎn)發(fā)生在78萬年前.顯生宙期間的地磁倒轉(zhuǎn)紀(jì)錄比較豐富，已鑒別出800多次倒轉(zhuǎn)（Ogget al.，2008）.地磁倒轉(zhuǎn)之間的間隔從1萬年到4千萬年不等（Ogg et al.，2008）.Clement（2004）研究了樣品采集地點(diǎn)的緯度和地磁倒轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)地磁倒轉(zhuǎn)所持續(xù)的時(shí)間從幾千年到28000年不等，平均約7000年，并且緯度越高，持續(xù)時(shí)間越長.值得一提的是，太陽也存在磁極倒轉(zhuǎn)，但與地磁倒轉(zhuǎn)非常不同.太陽磁場大約每隔11年倒轉(zhuǎn)一次，比較有規(guī)律，平均持續(xù)幾個(gè)月.地磁倒轉(zhuǎn)期間地磁場強(qiáng)度大幅度降低，可低至倒轉(zhuǎn)前磁場強(qiáng)度的10%（例如，Valet et al.，1999）.倒轉(zhuǎn)期間磁場形態(tài)經(jīng)歷了長時(shí)間的爭論（朱日祥等，1993；Zhu等，1993）.從觀測數(shù)據(jù)上看，倒轉(zhuǎn)期間偶極場減弱，非偶極場相對較為顯著（Merrill and Mcfadden，1999；Amit et al.，2011），這一點(diǎn)也與模擬結(jié)果相符（Glatzmaier and Roberts，1995）.

3 初探因果關(guān)系：“一對一”假說的失敗

3.1 興起與熱潮

1963年，加拿大地球物理學(xué)家Robert James Uffen首次指出地核發(fā)電機(jī)會對生命的起源與演化造成影響（Uffen，1963）.他從1959年地球輻射帶的發(fā)現(xiàn)（Van Allen and Frank，1959）得到啟發(fā)，提出了大膽的猜想：在地磁倒轉(zhuǎn)時(shí)期，地球磁場減弱為零并持續(xù)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.也就是說，一次地磁倒轉(zhuǎn)導(dǎo)致一次生物滅絕，我們稱之為“一對一”假說.循此思路，他繼續(xù)探討了整個(gè)地球歷史上由地核演化所引起的地磁場變化對生物圈的影響，尤其是：在地核形成之前，地磁場不可能存在，太陽高能粒子對地面的轟擊將阻止生命形成.五十年過去，從今天的知識水平來看，這篇開創(chuàng)性的論文不僅缺乏觀測數(shù)據(jù)支持，還摻雜著一些常識性錯(cuò)誤，比如地磁倒轉(zhuǎn)時(shí)期磁場并不為零、磁層若消失輻射帶也將不復(fù)存在等等.但是放在歷史背景中來看，這篇論文至少有兩個(gè)可鑒之處：一是首次討論了地磁倒轉(zhuǎn)與生物滅絕的因果關(guān)系，二是將地核到磁層之間的各圈層當(dāng)作一個(gè)整體系統(tǒng)來理解.在其后的幾十年里，人們將這樣一個(gè)大的問題逐漸細(xì)化，關(guān)注各種局部細(xì)節(jié)，一直到近些年才又重新回歸到地球系統(tǒng)科學(xué)的思路上來.在此之后的60年代后期和整個(gè)70年代，地磁倒轉(zhuǎn)與生物滅絕的研究保持了十幾年的熱潮.

圍繞高能粒子入侵為主的地磁倒轉(zhuǎn)對生物圈的短期、直接的傷害效應(yīng)，支持派持續(xù)尋找證據(jù)和發(fā)展理論，反對派則不斷否定.Sagan（1965）對 Uffen（1963）的猜想提出反對意見，他認(rèn)為即使地磁場消失，大氣層會充當(dāng)新的屏障，阻止高能粒子對生物圈的入侵.Simpson（1966）首次展示了地磁倒轉(zhuǎn)次數(shù)和生物滅絕次數(shù)的粗略相關(guān)性，雖然是僅憑視覺進(jìn)行的定性分析，但也標(biāo)志著該項(xiàng)研究從猜想討論進(jìn)入數(shù)據(jù)分析階段.Black（1967）在分析了三篇重要論文 （Harrison and Funnell，1964；Opdyke et al.，1966；Watkins and Goodell，1967）所展示的數(shù)據(jù)之后，認(rèn)為只有一組數(shù)據(jù)能說明因果關(guān)系的存在.他因此推測：如果因果關(guān)系不存在，那么地磁倒轉(zhuǎn)和生物滅絕應(yīng)該都是另一件事情的結(jié)果，也就是說，另有原因同時(shí)造成了地磁倒轉(zhuǎn)和生物滅絕.Harrison（1968）在計(jì)算了地磁倒轉(zhuǎn)期間宇宙射線在地表的增加量之后認(rèn)為，高能粒子不可能直接造成生物滅絕，滅絕的原因很可能是高能粒子通過改變氣候而造成的.由于McElhinny（1971）發(fā)表了顯生宙期間的地磁倒轉(zhuǎn)率指數(shù)，Crain（1971）便將其與Simpson（1966）的化石數(shù)據(jù)做對比，發(fā)現(xiàn)兩組數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.912.他相信地磁倒轉(zhuǎn)與生物滅絕的因果關(guān)系確實(shí)存在，但是也否定了高能粒子的作用，因?yàn)楦吣芰Ｗ尤肭植⒉荒芙忉尯Ｑ笊餃缃^.他傾向于認(rèn)為，磁場減弱本身是有害于生物生存的，所以導(dǎo)致滅絕的正是磁場本身，而非其他效應(yīng).Hays（1971）分析了8種放射蟲的滅絕情況，發(fā)現(xiàn)它們的分布是在滅絕前開始變得不穩(wěn)定，隨后從高緯地區(qū)到低緯地區(qū)同時(shí)發(fā)生滅絕，其中6種的滅絕時(shí)間與地磁倒轉(zhuǎn)相對應(yīng).他認(rèn)為這個(gè)結(jié)果證明了地磁倒轉(zhuǎn)能夠直接或間接地導(dǎo)致生物滅絕.但是Plotnick（1980）重新分析了Hays的數(shù)據(jù)后認(rèn)為這些數(shù)據(jù)并不能支持Hays的結(jié)論，他分析了更多新數(shù)據(jù)后得出了一個(gè)非常低的相關(guān)系數(shù)，因此認(rèn)為因果關(guān)系并不存在.在70年代后期，直接短期效應(yīng)的研究漸顯頹勢，越來越多的研究者開始放棄這一思路.

另一方面，一些研究者開始探討地磁倒轉(zhuǎn)對生物圈的長期、間接的傷害效應(yīng).Roberts和Olson（1973）在研究地磁活動(dòng)與氣象變化的聯(lián)系時(shí)指出，伴隨極光的X射線輻射或許可以導(dǎo)致對流層形成卷云.King（1974）指出極光韌致輻射通常不能穿透至對流層，而太陽高能質(zhì)子和伽馬射線則可以到達(dá)對流層.由于地磁場可以屏蔽外來高能粒子，他認(rèn)為地磁場的長期變化（比如地磁場西漂）可以導(dǎo)致氣候改變.Crutzen等（1975）進(jìn)一步指出，能量段在1GeV的太陽高能質(zhì)子轟擊大氣能夠分解和離解氮分子，氮原子與氧原子結(jié)合產(chǎn)生大量的一氧化氮，進(jìn)而對臭氧層產(chǎn)生顯著的破壞.在這些研究的基礎(chǔ)上，Reid等（1976）提出，地磁倒轉(zhuǎn)期間，高能粒子入侵所導(dǎo)致的臭氧層破壞有可能是生物滅絕的原因.

以上所介紹的工作，可以歸納為一種思路：地磁倒轉(zhuǎn)期間地磁場減弱，外來高能粒子直接或間接地對生物圈造成損害.但是，另有極少一部分學(xué)者，秉持不同的思路：大氣逃逸.正如1959年輻射帶的發(fā)現(xiàn)促生1963年的地磁倒轉(zhuǎn)與生物滅絕因果關(guān)系假說的提出一樣，1967年“水手5號（Mariner V）”對金星的探測結(jié)果啟發(fā)了McCormac and Evans（1969）提出新觀點(diǎn)：地磁倒轉(zhuǎn)期間磁場減小為零，此時(shí)的地球便和金星類似，可能電離層在100km以上所產(chǎn)生的離子都會被太陽風(fēng)剝蝕掉，并且，太陽風(fēng)還可能對中性成分產(chǎn)生更為顯著的剝蝕，甚至造成大氣層的損失.用今天的知識來看，這篇論文也大致是錯(cuò)誤的.首先，其理論依據(jù)在于水手5號沒有觀測到由二氧化碳和水分子產(chǎn)生的金星的氧冕（oxygen corona），因此他們推測不僅金星沒有氧冕，火星也應(yīng)該沒有氧冕，是因?yàn)槿狈Υ艌霰Ｗo(hù)而被太陽風(fēng)剝蝕掉了，繼而推測地磁倒轉(zhuǎn)時(shí)期的地球也會遭受類似的太陽風(fēng)剝蝕而導(dǎo)致大氣損失.后來的探測證實(shí)火星有很明顯的氧冕，金星的氧冕尚存爭議：前蘇聯(lián)的“金星11號（Venera 11）”和美國的“先鋒金星號（Pioneer Venus Orbiter）”探測到了，但歐洲的“金星快車（Venus Express）”一直未探測到（Lichtenegger et al.，2009）.其次，行星大氣的多寡并非僅由行星磁場和太陽風(fēng)決定，還涉及到與水有關(guān)的許多地球化學(xué)過程.比如，金星的發(fā)電機(jī)雖然在幾十億年前停止，其表面大氣壓約為地球的93倍.這也就不難理解為何這篇論文沒有引起學(xué)界的興趣，以至于很快淹沒在汗牛充棟的文獻(xiàn)堆里.盡管如此，這個(gè)工作仍有其偉大之處：它沒有落入“有害物質(zhì)入侵”的思維窠臼，而是另辟蹊徑，開拓出“有益物質(zhì)逃逸”的新方向.

3.2 衰退與反思

從20世紀(jì)70年代后期開始，地磁倒轉(zhuǎn)與生物滅絕因果關(guān)系研究的論文數(shù)量逐漸減少.從發(fā)表的論文上看，主要表現(xiàn)為新的證據(jù)越來越少，其思想也無法跳出“有害物質(zhì)入侵”的直接和間接效應(yīng).實(shí)質(zhì)原因是“一對一”假說無法解釋越來越多的新數(shù)據(jù).顯生宙有數(shù)百次地磁倒轉(zhuǎn)，滅絕率卻呈現(xiàn)5個(gè)峰值，即5次大滅絕（Raup和Sepkoski，1982）；人類在數(shù)百萬年的演化過程中經(jīng)歷過至少十?dāng)?shù)次地磁倒轉(zhuǎn)，卻并未滅絕.如果一次倒轉(zhuǎn)對應(yīng)一次生物滅絕，那么這些新數(shù)據(jù)都無法解釋；如果認(rèn)為地磁倒轉(zhuǎn)對生物圈的傷害是有物種選擇性的，卻又無法給出任何的選擇機(jī)制.真正的轉(zhuǎn)折發(fā)生在1980年.Alvarez父子領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在《Science》上發(fā)表了長達(dá)14頁的論文，以地層中的銥元素為證據(jù)提出小行星撞擊導(dǎo)致了白堊紀(jì)末期的大滅絕（Alvarez et al.，1980）.翔實(shí)的證據(jù)、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(jiǎng)光環(huán)，都引起了學(xué)界的研究熱潮和公眾的街談巷議.從學(xué)術(shù)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.在80年代前期，地磁倒轉(zhuǎn)與生物滅絕因果關(guān)系研究的論文也在文獻(xiàn)中逐漸走向“滅絕”.

一些學(xué)者嘗試從周期性變化的角度來討論，同時(shí)思路也從單一滅絕誘因向復(fù)合滅絕誘因過渡.事實(shí)上，如前文所述，Black（1967）已經(jīng)做出了這樣的思路轉(zhuǎn)變，但無證據(jù)支持.Raup和Sepkoski（1984）分析了過去2.5億年的海洋生物化石后得出生物滅絕的間隔為2600萬年.Rampino和Stothers（1984）分析了整個(gè)顯生宙（5.5億年）的化石數(shù)據(jù)后得出生物滅絕周期為3300±300萬年.如果地磁倒轉(zhuǎn)與生物滅絕之間的確存在因果關(guān)系，那么地磁倒轉(zhuǎn)應(yīng)該也存在類似的周期性.Raup（1985）分析了過去1.65億年的地磁倒轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，宣稱存在3000萬年的周期性.但是他并未因此而明確支持因果關(guān)系存在，而是比較委婉地提出生物滅絕與地磁倒轉(zhuǎn)和小行星撞擊都可能存在聯(lián)系.Lutz（1985）對Raup（1985）的數(shù)學(xué)分析方法提出質(zhì)疑，認(rèn)為所謂的周期性并不存在.面對地磁倒轉(zhuǎn)猜想與小行星撞擊猜想的競爭關(guān)系，Muller和 Morris（1986）繼承了 Glass和 Heezen（1967）的猜想，提出了一個(gè)模型論述小行星撞擊導(dǎo)致地磁倒轉(zhuǎn)的可能性（后來也被學(xué)術(shù)界否定（Kerr，1990））.于是，地磁倒轉(zhuǎn)被看作是與生物滅絕并列的一個(gè)小行星撞擊的結(jié)果，人們通過溯源和重新定義問題的方式宣布了“一對一”假說的20多年研究歷史的落幕.之后，有關(guān)地磁倒轉(zhuǎn)與生物滅絕因果關(guān)系的論文在其主要的爭鳴場所——《Nature》和《Science》等刊物上幾乎絕跡.

綜觀這20多年的研究歷程，再對比當(dāng)今的學(xué)術(shù)研究狀況，地磁倒轉(zhuǎn)與生物滅絕因果關(guān)系研究大致可以概括出三個(gè)方面的特征.一是研究人員獨(dú)立工作多于合作.沒有電子化期刊、互聯(lián)網(wǎng)搜索和便捷的交通，研究人員的活動(dòng)范圍較為封閉，只能根據(jù)所能接觸到的極為有限的信息來進(jìn)行研究，個(gè)人的思辨活動(dòng)在整個(gè)研究中所占比例非常大，論文署名也多為單一作者.二是數(shù)據(jù)稀少且不均勻.一個(gè)原因是樣本越古老，越不容易保存下來并被研究者發(fā)現(xiàn)；另一個(gè)原因是已有樣本大多來自于某些特定地理區(qū)域和地層（Marshall，2010）.這樣的數(shù)據(jù)庫在不同等級的生物分類（一般討論科、屬和種）都呈現(xiàn)出不均勻性，在時(shí)間上有非常顯著的不連續(xù)性.這會給相關(guān)性和周期性的估計(jì)工作引入非常大的誤差和不確定性.三是猜想多于實(shí)證.由于前兩方面的原因，大部分工作可以歸為科學(xué)猜想或假說，作者較多地在論文中表達(dá)自己對問題的理解，較少地展示詳實(shí)的證據(jù)或者縝密的邏輯推理.

縱觀這20多年的研究歷程，對比自然科學(xué)發(fā)展的典型特征，地磁倒轉(zhuǎn)與生物滅絕因果關(guān)系研究也可以分三個(gè)方面來總結(jié).一是典型的“瞎子摸象”的過程.古磁場和化石數(shù)據(jù)的更新引發(fā)新解釋和新猜想的出現(xiàn)，但是始終遠(yuǎn)未接近事實(shí)的全貌.二是地球科學(xué)研究概念更新的過程.人們逐漸接受地球是一個(gè)多圈層耦合的體系，發(fā)生于地球深部的地核過程可以控制地表環(huán)境的變化；傳統(tǒng)物理學(xué)和化學(xué)形成分析基礎(chǔ)，新建立的空間物理學(xué)和行星物理學(xué)等分支學(xué)科交叉介入，使得人們把地球當(dāng)作一個(gè)整體來看待其演化，甚至把地球當(dāng)作一個(gè)行星來看待.三是規(guī)劃“大型研究”之前的論證過程.人們需要利用已有知識，發(fā)揮想象力，充分討論各種可能性，以待將來?xiàng)l件成熟時(shí)，供后人借鑒、參考、評論和批駁.

4 再探因果關(guān)系：“多對一”假說的嘗試

在“一對一”假說衰退后的三十年里，地磁倒轉(zhuǎn)的研究提供了許多新的知識，讓我們對極性倒轉(zhuǎn)期間的地磁場的強(qiáng)度和形態(tài)都有了較為全面的認(rèn)識（Amit et al.，2011）.在觀測上，已經(jīng)能夠利用大量古磁場數(shù)據(jù)反演出上一次地磁倒轉(zhuǎn)整個(gè)過程的磁場變化（Leonhardt and Fabian，2007）；在模擬上，已經(jīng)能夠利用超級計(jì)算機(jī)來模擬整個(gè)地磁倒轉(zhuǎn)過程（Glatzmaier and Roberts，1995）.同一時(shí)期，生物滅絕的研究也有了許多新的突破（戎嘉余和黃冰，2014），尤其是對于顯生宙化石數(shù)據(jù)庫的校正結(jié)果，展示出了生物演化的一些以前未發(fā)現(xiàn)的趨勢特征（Alroy，2010；Marshall，2010）.

空間環(huán)境方面的研究進(jìn)展使人們更加深刻地理解地球磁層與電離層中發(fā)生的各種物理過程，及其對生物圈環(huán)境演化的重要意義.由于磁層的存在，太陽風(fēng)不能直接接觸電離層和中性大氣，但是仍能通過多種間接的方式來向電離層和大氣輸入粒子、場和能量.太陽風(fēng)中的氫離子可以通過極隙區(qū)大量進(jìn)入磁層（Shi et al.，2013）；太陽風(fēng)中的磁場和粒子也可隨著向陽面磁層頂?shù)闹芈?lián)過程進(jìn)入磁層（例如，Zhong et al.，2013；Rong et al.，2013；魏 勇 等，2006）；太陽風(fēng)中的電場也可經(jīng)由磁層和高緯電離層穿透到赤道電離層中去，并引起多種電磁場擾動(dòng)現(xiàn)象（例 如，Wei et al.，2008a；2008b；2009；2010；2011a；2011b；2011c；2012a；2013；Zong et al.，2010；Guo et al.，2011；Zhao et al.，2012）；太陽風(fēng)能量進(jìn)入磁層后的存儲與釋放過程的復(fù)雜性也被廣泛研究（例如，Yao et al.，2012；2013a；2013b）.盡管太陽風(fēng)能通過各種間接方式穿過地球磁層進(jìn)入電離層和大氣層，但是磁層對生物圈仍然有著非常重要的保護(hù)作用，尤其是在削弱電離層離子逃逸方面.而正是這一點(diǎn)，啟發(fā)了“多對一”假說的提出（Wei et al.，2014）.

電離層中的離子來源于大氣的電離，所以離子的逃逸直接造成大氣的逃逸.電離層頂部主要成分是氧離子和氫離子，兩種離子都能發(fā)生逃逸.太陽風(fēng)的主要成分為氫離子（占95%左右），可以向磁層補(bǔ)充氫離子（Shi et al.，2013），而氧離子的逃逸是無法補(bǔ)償?shù)?地磁場對離子逃逸的削弱通過兩個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)（圖1a）.一個(gè)是阻止太陽風(fēng)直接接觸電離層，削弱能量傳輸效率和傳輸總量；另一個(gè)是通過磁層等離子體對流（Dungey cycle）來把已經(jīng)上行至磁層的離子（例如，Li et al.，2012；2013）重新送回電離層，從衛(wèi)星數(shù)據(jù)估算大約90%的上行離子都被送回（Seki et al.，2001）.地磁場對大氣的保護(hù)作用已經(jīng)通過比較行星學(xué)的方法對地球和火星進(jìn)行觀測對比證實(shí)（Wei et al.，2012b）.驅(qū)動(dòng)離子逃逸的最終能量來源是太陽風(fēng)，太陽風(fēng)動(dòng)壓越大，所導(dǎo)致的逃逸率就越大，這一規(guī)律無論是在有內(nèi)稟磁場保護(hù)的地球（Moore and Horwitz，2007）還是無內(nèi)稟磁場保護(hù)的金星（Wei et al.，2012c）和火星（Lundin et al.，2007）都成立.

圖1 （a）當(dāng)前磁層氧離子逃逸和回歸示意圖.磁層對流（Dungey Cycle）在遠(yuǎn)磁尾中性線（DNL，距離地球125個(gè)地球半徑）發(fā)生轉(zhuǎn)向，靠近地球的一側(cè)朝向地球?qū)α?如紅色箭頭所示，氧離子從極隙區(qū)和極光帶上行，大部分會隨磁層對流重新回到電離層.（b）地磁倒轉(zhuǎn)時(shí)期可能的多極子磁層氧離子逃逸示意圖.太陽風(fēng)可更加接近電離層，氧逃逸的情況與當(dāng)前火星非常類似（修改自 Wei et al.，2014）Fig.1 （a）Ion escape and return in the present Earth′s magnetosphere：present Earth′s magnetosphere has a Dungey cycle up to 125 REtail ward，which can return most of outflowing O＋.DNL：distant neutral line.（b）Mars－like ion escape in a quadrupole－dominated magnetosphere for reversing field.This is the view from duskside with two neutral points on the dusk－dawn line.The red region illustrates the O＋ dominated ionosphere，and the four color belts on the Earth denote possible auroral zones.BS：bow shock.AW：auroral wind.MP：magnetopause.MT：momentum transfer（Modified from Wei et al.，2014）

圖2 顯生宙地磁倒轉(zhuǎn)率（a）、大氣氧含量（b）與生物屬級數(shù)量（c）變化的相關(guān)性（修改自Wei et al.，2014，圖中數(shù)據(jù)來源詳見該文獻(xiàn)）Fig.2 Temporal evolution of reversal rate（a），O2level（b）and marine diversity（c）over the Phanerozoic era（The original data interpretation is referred to Wei et al.，2014and the references therein）

在地磁倒轉(zhuǎn)的時(shí)候，地磁場對離子逃逸的兩個(gè)削弱作用都遭到破壞：地磁強(qiáng)度減弱，使得太陽風(fēng)更加接近電離層，能量傳輸也更為直接；地磁場從偶極位形變?yōu)槎鄻O子位形，磁層等離子體對流幾乎消失，地磁場無法將已經(jīng)上行的離子送回電離層.此時(shí)的太陽風(fēng)與電離層離子的相互作用更加接近火星的情形（圖1b）.Wei等（2014）采用了火星氧逃逸率的估算模型對地磁倒轉(zhuǎn)時(shí)期的地球進(jìn)行了估算，發(fā)現(xiàn)氧離子的逃逸率可以增加3～4個(gè)量級.由于氧逃逸是不可逆的，并且逃逸所造成的地球氧損失是可以積累的，如果每次地磁倒轉(zhuǎn)期間都有如此大的逃逸率，那么地磁倒轉(zhuǎn)率與大氣氧含量變化的相關(guān)性（圖2）就可以用氧逃逸來理解.而大氣氧含量的降低又是與生物滅絕相聯(lián)系（Huey and Ward，2005），于是地磁倒轉(zhuǎn)與生物滅絕的因果關(guān)系便可通過氧逃逸做中間環(huán)節(jié)來理解.

至目前，所有提出的地磁倒轉(zhuǎn)對生物圈的破壞效應(yīng)中，只有氧逃逸是可以在多次地磁倒轉(zhuǎn)之間進(jìn)行積累的.據(jù)此，Wei等（2014）繼承了 McCormac和Evans（1969）提出的大氣逃逸思路，提出了“多對一”假說：在長達(dá)數(shù)百萬年的時(shí)間里，地磁倒轉(zhuǎn)頻率升高，地磁場對氧粒子的保護(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)生物滅絕的閾值.

5 討論與展望

地磁倒轉(zhuǎn)的研究已過百年，倒轉(zhuǎn)的原因仍不清楚；地磁倒轉(zhuǎn)與生物滅絕因果關(guān)系的研究已五十年，問題也仍然沒有解決.歷史文獻(xiàn)記錄了人們所提出的各種因果假說，如果以化石證據(jù)做檢驗(yàn)，沒有任何一個(gè)能解釋所有觀測到的細(xì)節(jié).正如Dietz和Holden（1973）所言：“hypotheses，like cats，have nine lives”，人們很難證實(shí)其正確性，也很難否定其重要性.現(xiàn)在已經(jīng)比較清晰的是，生物滅絕是一個(gè)長期的環(huán)境持續(xù)惡化的結(jié)果，地磁倒轉(zhuǎn)是一個(gè)重要的誘因，但絕不是唯一的誘因.在生物滅絕的各個(gè)階段，分別是哪些因素的作用更重要，是較難解決的一個(gè)核心的問題.我們更應(yīng)該看到，地磁倒轉(zhuǎn)的誘因是地核狀態(tài)的變化，生物圈的演化很大程度上受到地核的影響，這一點(diǎn)也正是Uffen在1963年最初的理解（Uffen，1963）.

我們應(yīng)當(dāng)從地球系統(tǒng)科學(xué)的角度來理解地磁倒轉(zhuǎn)與生物滅絕的因果關(guān)系.地核產(chǎn)生的磁場經(jīng)由近三千公里厚的地幔和地殼到達(dá)地面，穿過生物圈、大氣層和電離層后延展至太空形成磁層.所有地磁場所覆蓋到的區(qū)域應(yīng)當(dāng)被視為一個(gè)整體，其間所發(fā)生的物理過程既受地核的影響，也可能反過來影響地核中的物理過程.對于水星的模擬研究表明，在千年或者更長的時(shí)間尺度上，磁層頂電流是可以影響到水星的發(fā)電機(jī)過程的（Heyner et al.，2011）.地球目前的磁層頂在10個(gè)地球半徑以外，因此這一效應(yīng)并不明顯.但當(dāng)?shù)卮诺罐D(zhuǎn)的時(shí)候，磁層頂大幅度下降，太陽風(fēng)與磁層的相互作用有可能影響地核發(fā)電機(jī)過程.生物圈也位于地磁場覆蓋的區(qū)域中，屬于整個(gè)地球系統(tǒng)的一部分，因此，生物演化和生物圈環(huán)境演化應(yīng)當(dāng)視為整個(gè)地球系統(tǒng)演化的一個(gè)方面.

我們也應(yīng)當(dāng)從比較行星學(xué)的角度來理解地磁倒轉(zhuǎn)與生物滅絕的因果關(guān)系.相對于人類壽命而言，地磁場變化非常緩慢，我們難以研究地磁倒轉(zhuǎn)時(shí)期的空間環(huán)境.金星幾乎沒有任何內(nèi)稟磁場，火星沒有內(nèi)稟磁場，但是具有很強(qiáng)的巖石剩磁.相對于目前的地球而言，火星與金星目前的空間環(huán)境更接近地磁倒轉(zhuǎn)時(shí)期的地球空間環(huán)境，而在火星上也發(fā)現(xiàn)了其古磁場倒轉(zhuǎn)的證據(jù)（Arkani－Hamed，2001）.在研究地磁倒轉(zhuǎn)時(shí)期的空間環(huán)境時(shí)，太陽輻射和太陽風(fēng)對金星和火星的空間環(huán)境的影響能夠給我們提供許多有用的信息，用以約束數(shù)值模擬研究和促進(jìn)理論研究.從比較行星學(xué)的角度出發(fā)，能夠用更多的實(shí)測數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)諸多的猜想.

近期地磁倒轉(zhuǎn)與生物滅絕因果關(guān)系研究的突破可能來自兩個(gè)途徑.一是確定地磁倒轉(zhuǎn)期間磁場強(qiáng)度與形態(tài)的更多細(xì)節(jié).地磁倒轉(zhuǎn)期間磁場形態(tài)較為復(fù)雜，直接使用巖石磁記錄來反演磁場形態(tài)比較困難，因?yàn)橐笥凶懔康臉悠泛途鶆虻牟蓸狱c(diǎn)地理分布.一個(gè)可作為補(bǔ)充的間接的方法是研究10Be同位素的分布.10Be同位素由高能宇宙射線轟擊大氣中的碳和氮等重原子所產(chǎn)生，而宇宙射線的通量及運(yùn)動(dòng)軌跡則受到地磁場強(qiáng)度和形態(tài)的調(diào)制，因此可用于研究倒轉(zhuǎn)期間的磁場形態(tài)（Valet et al.，2014；Webber and Higbie，2003；Webber et al.，2007）.另外，地磁發(fā)電機(jī)模擬的進(jìn)展可以展示倒轉(zhuǎn)期間磁場形態(tài)的細(xì)節(jié)，更重要的是，有望找出地磁倒轉(zhuǎn)的原因.二是針對新發(fā)現(xiàn)的證據(jù)提出更多的支持或反對該因果關(guān)系的猜想.例如，Courtillot和Olson（2007）提出，地幔柱活動(dòng)可能是導(dǎo)致環(huán)境變化和生物滅絕的原因，而地磁倒轉(zhuǎn)也是伴隨地幔柱活動(dòng)出現(xiàn)的一種現(xiàn)象.

地磁倒轉(zhuǎn)與生物滅絕的因果關(guān)系確是地球科學(xué)中的一個(gè)非常困難的重大問題.正確的理解也許要等到地球系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展完善以后，但我們認(rèn)為更可能出現(xiàn)的情況則是，對于這個(gè)問題的研究促進(jìn)了地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展.在不知道這個(gè)問題到底有多難的情況下，人們已經(jīng)研究了五十年，獲得了對地球系統(tǒng)演化的豐富認(rèn)識，而且還將持續(xù)研究.正如Verhoogen（1977）回顧地磁倒轉(zhuǎn)的早期研究過程的時(shí)候所感慨：“Ignorance，it would seem can sometimes be a blessing.”.

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