《磐石紀事》:如果地磁翻轉,地球是否會發生重大生物滅絕事件?

《磐石紀事》:如果地磁翻轉,地球是否會發生重大生物滅絕事件?
Photo Credit:Reuters / 達志影像

我們想讓你知道的是

由岩石中含鐵礦物的排列所保存下來的殘存磁場,其總強度便可用來當作岩石形成之時,地球磁場強度的代理紀錄。

文:貝鳶業如

許多岩石暗藏的隱形祕密檔案當中,有一種是岩石形成時磁場的紀錄。玄武岩之類的火成岩自熔融狀態冷卻時,富含鐵的微小礦物顆粒(如氧化鐵磁鐵礦及氧化鈦鈦鐵礦),會順著特定地理位置岩石磁場的方向排列,如同鐵屑在有磁鐵條在旁邊時,會呈叢狀聚集而排列。

這些結晶不僅指向當時磁北極的方向,也會垂直斜向其形成時所處的緯度。也就是說,磁場線在靠近赤道處呈水平狀,愈接近磁兩極便愈陡,到磁極處則呈垂直(加拿大北極圈內的埃斯米爾島非常接近磁北極,事實上是還要更北一點,我在當地做田野調查期間,我們還得拿銅線來抵消羅盤上的磁針,否則它們就會直往下指)。

磁場弱的時候,冷卻岩漿中富含鐵的礦物,便會發展出比磁場較強時微弱的統計排列,就好像馬虎的領導者帶領的遊行樂團,隊伍行列通常都呈波浪形,但在嚴格指揮的管理下,隊伍就會形成完美有序的列陣。

由岩石中含鐵礦物的排列所保存下來的殘存磁場,其總強度便可用來當作岩石形成之時,地球磁場強度的代理紀錄。

全球各大洋海底的玄武岩,保存了地球磁場史上最具時間連續性的紀錄。此一磁場檔案的發現頗為偶然,是冷戰期間對海床進行防禦相關測繪的副產品。美國海軍為了找出隱匿潛艇(並偵測蘇聯潛艇)的新方法,在1950年代讓船隻拖曳磁量儀而航行。航行路線的地磁資料編纂成軍事圖表之後,參與巡航的地球物理學家便對這些出人意料的模式大感著迷。

從磁量儀讀數中減去今日的地球磁場之後,這些地圖顯示的是寬廣的條帶,就好像商品條碼一般,以或正或負或反常的磁場強度值描繪出海底(就狹義的科學意義而言,「反常」是指一組數據中量測值的偏差,而此處的數據指的便是現代的地球磁場)。

反常的規模很小,只比一微特斯拉(µT)略高(約為地球總磁場的10%),但正磁化岩石和負磁化岩石之間的界線,卻明顯得很奇怪,新測繪到的洋脊相對兩側呈現著高度對稱的排列。

這些條帶的重要性,在5年後才為人所了解。而後在1963年,劍橋大學的地球物理學家范恩及馬修提出假設,認為這些條帶是地球磁場兩極翻轉的水平紀錄,刻印在因海底擴張而自中洋脊向外推擠的玄武岩上。此一觀念不僅對新興的板塊構造學做出最重要的貢獻,也是關於地球磁場的激進新觀點。地球南北極過去曾反覆對調位置的證據,暗示著地球外地核(磁場的來源)的動態,遠比之前所想像的複雜許多。

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非逆轉期間地球磁場的電腦模擬。線條表示磁場線,從地核伸出時為黃色,回入地核時為藍色。地球自轉軸位於正中,垂直於圖中。濃密的線團位於地核之內。
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磁北極(Nm)與正北(Ng)

現在已有數百筆磁極翻轉的紀錄,取自海底和陸地岩石的都有。事實上,地磁翻轉已成為地質時間尺標的重要參考點,但我們對地磁翻轉確切機制的了解還是不夠完全。

磁場是個透過正回饋自我維持的電磁發動機;外地核中的液態鐵流與磁場共同製造出電流,這電流維持磁場的存在,磁場又再製造出電流,如此這般,是個雞生蛋、蛋生雞的場景。若非如此,地球磁場會在數萬年前便已衰亡,而它竟能存在數十億年之久,真是非常不得了的事。

事實上,愛因斯坦便曾指出,地球能夠長期維持磁場的存在,是物理學上重大的未解問題之一。

發動機理論的概念雖然相當簡單,但誠如數學家所言,要將之做成量化模型卻非易事(「這麼多發動機!」是地核模型製造者的口頭禪)。不過,1995年,在Cray C90型超級電腦上作業數千小時之後,終於模擬出地球外地核發動機磁翻轉的虛擬版本。其中一極的程式跑了4萬年的模型時間後,虛擬地核中有些區塊便發展出極性相反的物質,南、北半球皆有,就像太極圖上在顏色相反處,各有黑色和白色的點。

當這些區塊發展至關鍵大小,整個區域都會翻臉,北方於是變成南方。這在模型時間中幾乎就是瞬時事件,與翻轉事件只需時約1000年的地質證據相一致。

在美國俄勒岡州東南部,有一片很久以前便硬化成岩石的驚人玄武熔岩流,清楚地記錄下1600萬年前地磁翻轉的地質瞬間。數公尺厚的熔岩流會在數天或數周內由上而下冷卻,在磁場穩定的情況下,熔岩流表面和內部的磁性特徵會保持一致。然而俄勒岡州這片熔岩流所記錄到的,卻是不同的磁場強度和方向。

除非有什麼東西在熔岩流冷卻之後,又干擾了岩石中磁性礦物的排列,否則磁性特徵中的垂直變化最好的解釋,便是熔岩固化的時候,磁場的方向正在劇烈波動,強度規模也正在急速下滑——方向約為每日移動3度,強度則為每日0.3微特斯拉。

明確的新北極終於出現在岩層較高處的熔岩流裡,這代表的可能是數十年、數百年或更長的時間,但同位素定年技術卻無法確認這麼短的時間尺度。

此方面的共識為:地磁翻轉的時間尺度約為1000年或更短,以地質標準而言可謂短暫,但就生物標準來說卻很長久。在轉換期間,磁場雙極(南北極)元件的規模幾乎消失,在新的兩極自我確立之前,只留下一片強度較低的雜訊場。

1850年以來地球磁場強度的急速衰減,可能就是下一次磁翻轉的先聲。上一次地磁翻轉約發生於78萬年前,此後我們便不曾直接體驗過大氣圈及生物圈內,缺少強烈雙極場可能造成的影響。值得高興的是,過去已明確定年的許多次磁翻轉,無一與重大滅絕事件有關,暗示著地球的保護性磁場減弱時,宇宙射線的轟炸還沒有極端到為化石所記載的地步。

很明顯地,利用磁場導航的動物也找到一些方法,而不致於在沒有南也沒有北的時候,絕望地迷途。

然而這對科技的影響可能卻嚴重得多。衛星通訊系統和電力網較易受到太陽耀斑的影響。2002年的科幻電影《地心毀滅》,實如其名般深不可測,描述的便是地球磁場震盪時,所產生的全球性電磁大災難。幸運的是,一組堅毅的「太地人」(terranauts)團隊深入地球中心,導正情況而拯救了這座行星。真正的地磁翻轉大概不會有這麼悲慘的結果,但卻也更難預防。

書籍介紹

本文摘錄自《磐石紀事:追蹤46億年的地球故事》,貓頭鷹出版

作者:貝鳶業如
譯者:若到瓜

岩石看似沉悶無聊,但其中的豐富內容,連馬克吐溫在自傳中都得記上一筆。要了解過去億萬年間地球經歷過的炎熱、寒冷,風暴、災害,就得檢視一一刻畫於這些岩石所受到的切割、擠壓、熔解、破壞所造成的形狀與紋路。火山活動形成的火成岩、經過千年沉降形成的沉積岩,還有受盡高溫高壓而成的變質岩組成了我們所知的地球。除了看似複雜的地質字彙,地質學中還有更多有趣的知識洞見,比如我們該如何探測整個地球、如何得知地球年代等等。

岩石是沉默的紀錄者。沉默的岩石不只是見證地球的形成,他也幫助紀錄了生命的各種歷史,從誕生到破滅還有重新茁壯的故事。比如紅色的岩層記錄著光合作用開始的氧氣革命、伯吉斯頁岩層中包埋著寒武紀的大爆發,還有多次冰河時期冰封的痕跡。貝鳶業如在本書中用清晰有趣但深刻豐富的筆調,探討地質學、演化學以及岩層間留下的有趣故事。

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Photo Credit: 貓頭鷹

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航


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