启动磁场 盾卫地球

时间:2010-06-18 09:05 来源:《环球科学》2010年第6期

磁性岩石开启地球磁场，为生命诞生提供屏障。地球强有力的磁场保护着这颗行星和寓居其上的生命免受太阳风的侵袭，使它们不至于像金星和火星那样，由于缺乏坚强的盾卫，在演化岁月中被来自太阳的离子风暴不断轰击，水资源被横扫殆尽，大气层也渐趋无力。

　　

▲磁力线保护地球：新的证据表明，保护地球不受太阳风直接吹袭的地球磁场，可以追溯到大约34.5亿年前，与生命诞生大致同时。

    撰文/约翰·马特森（John Matson）

 

    地球强有力的磁场保护着这颗行星和寓居其上的生命免受太阳风的侵袭，使它们不至于像金星和火星那样，由于缺乏坚强的盾卫，在演化岁月中被来自太阳的离子风暴不断轰击，水资源被横扫殆尽，大气层也渐趋无力。弄清地球磁场出现的时间表和地磁产生机制（地核外层的岩浆对流，像发电机一样产生地球磁场）的来龙去脉，有助于还原地球早期历史，揭示包括地质、气象和天文过程在内的各种因素如何将地球打造成一处宜人之所。

    美国罗切斯特大学的地球物理学家约翰·A·塔尔杜诺（John A. Tarduno）已经和同事一道试图对此寻根溯源。他们展示的证据表明，地球早在34.5亿年前就通过上述流体发电机机制获得了磁场，此时距地球形成不过 10亿年左右。这项最新的研究成果发表在今年 3月 5日的《科学》杂志上，它将地球磁场的历史提前了至少 2亿年——从事相关研究的另一个小组曾在 2007年展示了类似的证据，不过他们的岩石样本年代稍晚，结果推测出地球在 32亿年前便拥有了很强的地磁场。

    塔尔杜诺和他的研究组分析了来自卡普瓦尔克拉通（Kaapvaal craton）的岩石，这一区域位于非洲大陆南部尖端附近，仍保留着早期太古宙（Archean）陆壳的原貌。（太古宙是指距今约 38亿年前至 25亿年前的这段地质时期）。他们在 2009年发现，其中一些岩石在 34.5亿年前曾被磁化过，而现有的直接证据表明生命创生于约 35亿年前，两者大致吻合。但这些岩石磁场也有可能是被地外磁场磁化的，如太阳风暴。金星就是一个例子，尽管它的内部磁场很弱，但太阳风暴对其浓厚大气层的不断轰击仍导致金星拥有一个可探测的行星磁场。

    在这项最新研究中，他们测算了在卡普瓦尔岩石上留下现有磁场烙印所需的磁场强度，结果表明该磁场强度是现有地磁强度的 50%～70%，比预期的外部磁场（如微弱的金星磁场）强出好多倍。这一结果表明，当时存在的磁场应该是内部流体发电机产生的。

    研究者进一步推测了当时的地磁能在多大程度上抵御太阳风，由此发现太古宙早期地球的磁层顶（magnetpause）距离地球表面约 3万千米。磁层顶是地磁场抵御太阳风的最外层边界。如今地球磁层顶到地面的距离约为 6万千米，具体位置会随太阳的极端能量喷发活动而不断变动。塔尔杜诺说：“35亿年前磁层顶的稳定位置，大约跟如今超级太阳风暴发生时的磁层顶位置差不多。 ”磁层顶距离地面如此之近，无法完全屏蔽太阳风，因此早期地球或许已经失去过很多的水。

    随着寻找太阳系外类地行星的步伐日益加快，塔尔杜诺说，今后在模拟行星的生命适宜程度时应该将星风、行星大气和磁场之间的关系考虑进去。他指出，目前看来磁场对行星水储量的影响尤为重要。

    美国华盛顿大学塔科马分校（University of Washington Tacoma）的地质学家彼得·A·塞尔金（Peter A. Selkin）认为，上述工作引人入胜，结果也合乎情理。不过他也指出，虽然卡普瓦尔克拉通的矿物构成和环境温度在过去数十亿年间变化不大，“但并非原封不动地保持在初始状态”，他认为“还要进一步分析塔尔杜诺及其合作者所用的矿石，不能急于拍板”。

    加拿大多伦多大学 的地球物理学家戴维·J·邓洛普 （David J. Dunlop）对塔尔杜诺小组的结果有信心，他称此项工作“论证非常严谨”。把这些磁场出现的时间确定在距今 34亿年前至 34.5亿年前“是非常有把握的”。邓洛普还说：“能将地球发电机的启动时间再往前推，想想就让人激动，不过这似乎不太可能了。“因为地球上再也没有其他地方能够获得自然界如此垂青，将原始磁场的痕迹如此完整地保存下来了。（译/庞玮  校/虞骏）