5亿多年前的生物濒临灭绝之险:地核固体化增强磁层强度得以化解
来源:    点击:   发布时间:2019-02-19 09:24

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大约5.65亿年前,地球上的生命逃过一劫。前段时间发表在《自然地球科学》杂志上的一项研究表示,地磁层——一个像保护罩一样包围着地球的磁场——当时已经退化到有史以来的最低强度。如果没有这个保护罩,地球可能会被来自太阳的侵蚀大气的爆发摧毁,然后逐渐失去大部分的空气和水,直到变得像今天的火星一样干燥荒凉。

该研究的作者说,后来地球内部深处进行的一个过程帮助恢复了磁层的强度。即地球的液态铁内核的结晶过程,地球物理学家将其称为“成核”过程。一旦内核变成固体,旋转的地核就像一个旋转的发电机,增强了包裹着地球的电磁保护罩,从而避免了对整个地球的破坏。这转而又为寒武纪生命大爆发创造了条件。寒武纪爆发发生于大约5.41亿年前,当时生物圈突然经历了地球历史上最大规模的进化扩张。

约翰·塔都诺(John Tarduno)是美国罗切斯特大学的地球物理学家。他和同事观察了魁北克省七岛群岛(Sept-Îles)上一片火成岩中古代硅酸盐晶体中的磁粒子,以此来测量5亿多年前的地球磁场。上涌岩浆在到达地表之前冷却从而形成成片火成岩。随着岩浆冷却,当时地球磁场强度的证据便被“锁”在这些晶体中。

塔都诺通过加热火成岩中的单晶体使其失去磁性,然后在磁场的作用下再加热使其磁化,从而确定当时的地球磁场强度。研究人员对约75000年间的晶体冷却的的磁层强度进行了平均计算,得出大约5.65亿年前的磁层强度约是现在的十分之一——这一发现与独立研究认为的磁层在地质时期缓慢而稳定的增强相一致。塔都诺和他的同事推测,地球成长中的内核是磁层强度增加的原因。当内核结晶时,铁和其他重元素落到其中心,而内核的外部区域则变成了一层由较轻元素组成的液体层,引发了使地球发电机(地核)发挥作用的长期对流。

未参与该研究的科学家表示,对地球古老磁场的了解本就不多,也不确定。美国约翰霍普金斯大学的地球物理学家扎比内·斯坦利(Sabine Stanley)说道:“获取早期古地磁样本非常重要,因为我们的相关数据极少。目前,上述研究发现的只是特定时间间隔上的一个数据点。”虽然她指出,磁层在过去5亿多年里强度明显增加,确实支持了研究人员的分析;但她还是认为需要更多的数据点。厄瓜多尔Yachay理工大学(Yachay Tech University)的地球物理学家埃莉莎(Elisa Piispa)告诫道,塔都诺小组使用的单晶方法来测量磁场强度尚未被普遍接受。她说:“古地磁学界的一些主要研究人员对此方法持怀疑态度。”德克萨斯大学奥斯汀分校的研究员克里斯塔·索德伦德(Krista Soderlund)说,塔都诺小组的结果与其他几个关于地核热演化的模型以及大量其他古地磁观测结果一致。

塔都诺和他的同事发现的磁场减弱现象与大约5.42亿年前的埃迪卡拉纪末期灭绝事件(end-Ediacaran extinction)大致同时发生。该事件发生在寒武纪爆发之前,造成了原始生物、底栖固着生长生物以及海洋生物的大量灭绝。2016年,罗马萨皮恩扎大学的地质学家卡洛•多格里奥尼(Carlo Doglioni)提出,寒武纪之所以出现了大量新的生命形式,部分原因在于磁层强度不断增强。他说:“埃迪卡拉纪之后,磁偶极子增加。我们之所以有一个优良密集的大气层来保护我们免受电离辐射,是因为我们有一个优良强大的磁场。”化石证据表明,一些生物通过在海底掘洞藏身,才能在埃迪卡拉纪末期灭绝事件后存活下来。已经灭绝的埃迪卡拉纪固定生物群就不具备掘洞这一特征。2016年,佛罗里达大学地质学家约瑟夫·米尔特(Joseph Meert)进行的一项研究认为,造成埃迪卡拉纪末期灭绝事件的罪魁祸首是有害的紫外线和宇宙射线,它们在穿过了古地球减弱的磁场以及变薄的大气层后,到达地表。他说:“当保护罩分崩离析后,埃迪卡拉纪的生物就灭绝了,为后来的寒武纪大爆发腾出了生态空间。”

塔都诺认为应该审慎得出上述结论。他表示:“该假说的问题在于,地质记录中支持它的证据少之又少。如果我们看一下其他时间的严重磁弱,有的都到了磁场倒转的程度。所以磁弱的周期非常短,可能只有几百到几千年。

米尔特承认,其他时期的磁不稳定与灭绝事件不是明显相关。他说:“但地球磁场在很长一段时间内整体变弱导致了物种灭绝,这也是事实。我的看法是,这种弱磁场存在的时期贯穿埃迪卡拉纪到寒武纪早期,所以时间比一般磁弱的周期要长一些。”

塔都诺说,尽管失去了磁场的保护,地球的大气层和埃迪卡拉纪时期的生物生活的海洋都提供了足够的保护,使生物免受有害辐射的伤害。但是米尔特注意到埃迪卡拉纪在陆地植物出现之前就已经存在了,这些陆地植物合成的有机物(糖类等)遍布现代水域;所以可能是埃迪卡拉纪海洋的海水过于清澈,使得紫外线辐射能够到达海底深处。米尔特说:“水确实能减弱紫外线,但它并不是万灵药。紫外线可以穿透水到达大约10米深的地方。很多埃迪卡拉纪时期的动物可能生活在更浅的水域。”

英国利物浦大学的地球科学家考特尼(Courtney Sprain)没有参与以上任何研究,但她觉得需要更多的资料来确定埃迪卡拉纪末期灭绝事件的起因。她说:“我认为未来有办法更进一步理解这一事件。”她指出,一种方法是确定当时世界各地的磁场是否都减弱了,还是说这种现象只局限在七岛群岛周围。另一点是更准确地界定磁层变化的时间范围。

最后,考特尼说道确定埃迪卡拉纪灭绝事件的起因对理解此后生命的进化至关重要。她补充说:“这对当今地球的状况、我们所看到的地球气候的近代变化以及帮助我们理解人类现在的所作所为是否有可能造成大规模的生态崩溃,都具有重要意义。它有助于我们推测自己的未来。”