地球怎样“死里逃生”？科学家发现了新线索

2022 年 7 月 26 日 学术头条

地球，是宇宙中人类已知唯一存在生命的天体，堪称宇宙中最大的奇迹之一。

但是， 在几亿年前，地球经历了一次可能是毁灭性的灾难——磁场差点消失了 ，只剩下了可怜的 10%。

要知道，火星之所以没有生命的存在，一个重要的原因就是火星的磁场“真真正正”地消失了，无法免受太阳风的直接打击。

来自罗切斯特大学（University of Rochester）科学家及其合作者的最新研究显示， 地球的磁场在 5.5 亿年前神秘地开始恢复，使得地球避免了如同火星的命运 。

相关研究论文以“Early Cambrian renewal of the geodynamo and the origin of inner core structure”为题，已发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。

是什么导致磁场反弹？

在我们脚下大约 1800 英里的地方，地球外核旋转的液态铁产生了地球的保护磁场。这个磁场是看不见的，但对地球表面的生命至关重要，因为它保护地球不受太阳辐射的太阳风的影响。

然而，大约在 5.65 亿年前，磁场强度下降到今天的 10%。

幸运的是，磁场又神秘地“反弹”了回来，在地球上多细胞生物的寒武纪大爆发之前恢复了强度。

这种“反弹”发生在几千万年间——在地质时间尺度上是非常快速的——并且与地球固体内核的形成相吻合，这表明 内核可能是一个直接原因 。

图｜地球的内部结构（来源：维基百科）

罗彻斯特大学地球与环境科学系地球物理学教授、艺术、科学与工程学院院长 John Tarduno 说：“内核非常重要。” “就在内核开始增长之前，磁场处于崩溃的状态，但一旦内核开始增长，磁场就会重新生成。”

研究人员确定了内核历史的几个关键日期，包括对其年龄的更精确估计。这项研究提供了有关地球的历史和未来演化、地球如何成为宜居行星以及太阳系其他行星演化的线索。

罗彻斯特大学的研究人员利用古地磁确定了地核历史上的这两个关键日期，他们认为地核恢复了地球上生命爆发前的磁场。

解码古代岩石中的信息

地球是太阳系中由内及外的第三颗行星，主体包括岩石圈、地幔、熔融态金属的外地核以及固态金属的内地核，并拥有由外地核产生的地磁场。

图｜太阳系（来源：维基百科）

由于磁场与地核的关系，科学家们几十年来一直试图确定地球磁场和地核在整个地球历史上是如何变化的。由于地核中物质的位置和极端温度，他们无法直接测量磁场。

幸运的是，被移动到地球表面的矿物含有微小的磁颗粒，这些磁颗粒在矿物从熔融状态冷却时锁定了磁场的方向和强度。

为了更好地搞清楚内核的年龄和生长，研究团队使用二氧化碳激光器和实验室的超导量子干涉装置（SQUID）磁强计来分析岩石斜长岩中的长石晶体。这些晶体内部有微小的磁针，是完美的磁记录器。

通过研究晶体中锁住的磁场（即古地磁），研究人员确定了地核历史上两个新的重要日期：

5.5 亿年前：在此之前的 1500 万年前，地球磁场几乎崩溃，此时开始快速更新。研究人员将磁场的快速更新归因于固体内核的形成，内核为熔融的外核充电，并恢复了磁场的强度。
4.5 亿年前：生长中的内核结构发生变化，最内部和最外部内核之间的边界形成。由于地表的板块构造，这些内核的变化与上覆地幔结构的变化几乎发生在同一时间。

图｜没有地核；大约在 5.5 亿年前，内核开始生长；大约在 4.5 亿年前，最外层和最内部内核边界形成。

“因为我们更精确地圈定了内核的年龄，我们可以探索现在的内核实际上是由两部分组成的事实。”“地球表面的板块构造运动间接地影响了地核，而这些运动的历史也深深印在了地核的结构中。” Tarduno 说。

避免类似火星的命运

更好地理解内核和磁场的动态和增长具有重要的意义 ，不仅可以揭示地球的过去和预测它的未来，而且也可以揭示其他行星可能形成磁场并维持生命所需条件的方式。

研究人员认为，以火星为例，火星曾经就有一个磁场，但后来消失了，使得火星很容易受到太阳风的影响，导致火星表面没有海洋。

虽然还不清楚没有磁场是否会导致地球遭遇同样的命运，但研究人员表示， “如果地球的磁场没有再生，地球肯定会失去更多的水。”“地球会比现在干燥得多，会非常不同。”

就行星演化而言，这项研究强调了磁场的重要性以及维持磁场的机制。

“这项研究确实强调了需要有一个像不断增长的内核这样的东西，在行星的整个生命周期（几十亿年）中维持磁场。” Tarduno 说。

参考链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-31677-7

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