拉尚漂移（Laschamps Excursion）是發(fā)生在大約42-41 ka的一次相對(duì)較短時(shí)間（<1000年）的地磁漂移事件，1969年首次在法國(guó)奧弗涅區(qū)的拉尚熔巖流的古地磁研究中發(fā)現(xiàn) （Bonhommet and Zahringer, 1969），隨后在全球多地火山碎屑與沉積物中報(bào)道，是研究地磁場(chǎng)極性變化影響的最好時(shí)期之一。雖然對(duì)格陵蘭冰芯的研究未能揭示拉尚漂移對(duì)高緯度古氣候的影響（Wanger, 2001），但拉尚漂移時(shí)期，大洋洲和安第斯山脈出現(xiàn)了局部冰川最大值，大氣環(huán)流模式也發(fā)生了變化，澳大利亞發(fā)生了整個(gè)大陸的干旱化和巨型動(dòng)物的滅絕。此外，該時(shí)期到達(dá)地球大氣層的太陽(yáng)和宇宙輻射水平顯著增加，大氣電離作用增強(qiáng)，臭氧水平減弱。這些環(huán)境變化的時(shí)間大致與拉尚漂移的時(shí)間一致，但由于對(duì)拉尚漂移發(fā)生的準(zhǔn)確時(shí)間以及持續(xù)時(shí)間未能給出精確限定，先前研究尚不能確定這些環(huán)境變化與拉尚漂移事件之間是否存在因果聯(lián)系。
近日，南澳大利亞博物館的Alan Cooper等人針對(duì)拉尚漂移開(kāi)展了年代學(xué)以及與環(huán)境變化的關(guān)聯(lián)性研究。利用新西蘭生長(zhǎng)于42 ka前具有1700年年輪的貝殼杉（Kauri Tree）古樹(shù)中記錄的14C變化信息，結(jié)合氣候模型模擬結(jié)果，將地磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)與大規(guī)模的環(huán)境變化聯(lián)系起來(lái)，認(rèn)為在42-41 ka之間，地磁極發(fā)生了短暫的倒轉(zhuǎn)，并引發(fā)地球一系列的環(huán)境危機(jī)，并可能對(duì)當(dāng)時(shí)澳大利亞的大型哺乳動(dòng)物的滅絕，尼安德特人從歐洲的消失與智人占據(jù)統(tǒng)治地位，歐洲和亞洲開(kāi)始出現(xiàn)洞穴壁畫等產(chǎn)生了影響。
由于地磁場(chǎng)保護(hù)著地球免受來(lái)自外太空宇宙射線的輻射，當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)減弱時(shí)，進(jìn)入大氣層的宇宙射線變多，更多的14C由此產(chǎn)生，沉降的14C會(huì)被樹(shù)木吸收并保留，因此14C的變化可以反映當(dāng)時(shí)地磁場(chǎng)的變化。通過(guò)對(duì)四棵古樹(shù)化石橫截面進(jìn)行14C同位素分析，并結(jié)合古樹(shù)的年輪數(shù)據(jù)獲得了一份能夠精確測(cè)定年代、連續(xù)1700年變化的大氣放射性14C記錄。將其與中國(guó)葫蘆洞的14C曲線（Cheng, 2018）對(duì)照，得到了貝殼衫-葫蘆洞14C變化曲線（圖1）。
圖1 拉尚漂移期間的大氣放射性碳濃度變化以及與關(guān)鍵環(huán)境數(shù)據(jù)的比較（Cooper et al., 2021）
該曲線揭示，地磁場(chǎng)最顯著的減弱并非發(fā)生在地磁極倒轉(zhuǎn)期間，而是在發(fā)生地磁極倒轉(zhuǎn)之前約500年中，即大約42.3-41.6 ka前。在此期間，磁場(chǎng)強(qiáng)度減小到現(xiàn)今地磁場(chǎng)強(qiáng)度的0-6%，而在磁極倒轉(zhuǎn)期間，地磁場(chǎng)的強(qiáng)度約為現(xiàn)今的28%，這一現(xiàn)象作者稱之為“亞當(dāng)斯地磁場(chǎng)過(guò)渡事件”。亞當(dāng)斯地磁場(chǎng)過(guò)渡事件時(shí)期同時(shí)與太陽(yáng)活動(dòng)的極小期（Grand Solar minima）對(duì)應(yīng)。
采用貝殼衫-葫蘆洞14C變化曲線對(duì)多個(gè)42 ka附近的氣候環(huán)境事件進(jìn)行重新標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)這些氣候環(huán)境變化均與亞當(dāng)斯地磁場(chǎng)過(guò)渡事件時(shí)間一致。例如，奧克蘭群島Pillar Rock地區(qū)沉積記錄揭示的南半球中緯度西風(fēng)帶向兩極的傾斜發(fā)生在42.23±0.2 ka；西太平洋赤道附近蘇拉威西島托烏蒂湖沉積記錄顯示ITCZ的偏移發(fā)生在42.35±0.2 ka（圖2）。這些氣候變化均與拉尚漂移之前地磁場(chǎng)強(qiáng)度最小的地磁場(chǎng)過(guò)渡階段年齡一致。同時(shí)，該階段太平洋周圍發(fā)生的重大環(huán)境變化還導(dǎo)致了安第斯山脈中南部局部冰川的擴(kuò)張，澳大利亞巨型動(dòng)物滅絕的高峰期（~42.1 ka），澳大利亞?wèn)|北部林奇火山口大量燃燒的植物痕跡（41.91±0.4 ka），澳大利亞內(nèi)陸湖的消失等。其他比較顯著的影響還有尼安德特人從歐洲消失，智人占據(jù)統(tǒng)治地位，歐洲和亞洲開(kāi)始出現(xiàn)大量洞穴壁畫等。因此，拉尚漂移時(shí)期地磁場(chǎng)強(qiáng)度顯著減弱可能是氣候和環(huán)境一系列劇變的原因。
圖2 42 ka亞當(dāng)斯事件的氣候和環(huán)境變化（Cooper et al., 2021）
該研究同時(shí)建立了全球化學(xué)氣候模型（SOCOL-MPIOM），使用現(xiàn)代地磁場(chǎng)偶極矩（M）和平均太陽(yáng)調(diào)制勢(shì)（f）的現(xiàn)代值對(duì)拉尚漂移前的全球環(huán)境條件進(jìn)行了一系列模擬，包括拉尚漂移時(shí)期減弱的地磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的兩種強(qiáng)弱的太陽(yáng)活動(dòng)狀態(tài)。模擬結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)減弱（對(duì)應(yīng)拉尚漂移時(shí)期）與太陽(yáng)調(diào)制強(qiáng)度減小時(shí)（對(duì)應(yīng)太陽(yáng)極小期），大氣電離作用大大增加，導(dǎo)致氫氧和氮氧化物（HOx和NOx）的大量生成，降低了平流層的O3混合比（~5%），增加了對(duì)流層的O3混合比（~5%），整個(gè)大氣的臭氧水平也隨之改變（圖3）。這些改變會(huì)對(duì)中高緯度地區(qū)的氣候產(chǎn)生影響，在北半球，臭氧濃度降低改變了赤道到兩極的溫度梯度，減弱了北極的極地渦旋，導(dǎo)致極地平流層的暖效應(yīng)增加。在南半球可能對(duì)中緯度氣流和亞熱帶降水模式產(chǎn)生影響，但此處模擬的顯著性小于10%，需要更長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行來(lái)證實(shí)。
圖3 地磁場(chǎng)變?nèi)鹾吞?yáng)活動(dòng)極小期對(duì)全球化學(xué)（氣候）的影響（Cooper et al., 2021）
雖然與拉尚漂移期間地磁倒轉(zhuǎn)相關(guān)的直接影響只持續(xù)了800年，但許多上述同步變化持續(xù)了數(shù)千年。該研究認(rèn)為，可能是隨著地球的軌道結(jié)構(gòu)趨向完全冰期狀態(tài)，全球海洋環(huán)流受到限制，氣候系統(tǒng)可能對(duì)拉尚漂移前后相對(duì)較短但十分極端的驅(qū)動(dòng)變化十分敏感。比如，在39至37 ka，北美勞倫冰蓋的某些部分可能已經(jīng)擴(kuò)大了1000公里以上，但在42 ka，北美勞倫冰蓋的局部最小范圍開(kāi)始迅速擴(kuò)大。而它的擴(kuò)大使得整個(gè)太平洋的大氣環(huán)流重組。這種半球尺度對(duì)突然驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)與由Pillar Rock研究揭示的南半球中緯度西風(fēng)的同步運(yùn)動(dòng)相一致。因此，該研究認(rèn)為中低緯度在42ka左右同時(shí)發(fā)生的氣候和環(huán)境影響，與拉尚漂移之前的地磁場(chǎng)減弱是可以對(duì)應(yīng)的。
總之，該研究將地磁強(qiáng)度漂移與全球氣候和環(huán)境變化聯(lián)系起來(lái)，揭示了地磁場(chǎng)強(qiáng)度變化和宇宙輻射變化的疊加可以影響全球氣候變化，這一發(fā)現(xiàn)為氣候突變的成因提供了新的見(jiàn)解。但地球磁場(chǎng)在歷史時(shí)期發(fā)生過(guò)很多次倒轉(zhuǎn)與漂移，這些地磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)和漂移事件，特別是超靜磁期結(jié)束后的地磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)，是否會(huì)對(duì)當(dāng)時(shí)的地球環(huán)境產(chǎn)生了影響，仍需要不斷探索。
主要參考文獻(xiàn)
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