地球是一個從內部（地核）到空間（磁層）多圈層耦合的復雜系統(tǒng)。該系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，即與人類和其他生物生存緊密相關的大氣圈、生物圈和水圈等圈層，不僅被內部的動力學過程控制，還受到空間的各種物理過程的影響。地質記錄數(shù)據(jù)展示出的各種演化行為和重大事件的驅動因素，往往是起源于內部、耦合于空間、并牽涉到物質與能量的轉換和轉移的各種過程的疊加。
地球顯生宙階段的演化，有三個參數(shù)呈現(xiàn)出有趣的相關性：地磁倒轉頻率、大氣氧含量和生物數(shù)量（圖1）。早在1963年就有人提出，地核變化所導致的磁場倒轉可能是生物大滅絕的原因。人們曾認為地磁倒轉期間地球失去磁場的保護，外來的高能粒子等“殺手”得以危害生物圈。后來隨著數(shù)據(jù)的逐漸豐富，地磁倒轉頻率與生物數(shù)量的相關性逐步得到證實。但是，這些數(shù)據(jù)反而否決了人們最初的思路：顯生宙有近千次地磁反轉，卻只有5次全球性的大滅絕；人類在數(shù)百萬年的演化過程中曾經(jīng)歷過數(shù)十次地磁倒轉，卻并未滅絕。于是，地磁倒轉與生物滅絕的因果關系受到廣泛質疑。2005年，人們又發(fā)現(xiàn)了大氣氧含量與生物數(shù)量的相關性，于是開始致力于研究其間的因果關系。但是，這個因果關系鏈的上游環(huán)節(jié)——氧含量下降的成因，仍是一個無解的問題。
中國科學院地質與地球物理研究所地磁與空間物理研究室研究員魏勇與北京大學、清華大學、德國馬普太陽系研究所等單位的學者合作開展了針對性研究，并提出了全新的觀點：首先，地磁倒轉與生物大滅絕應該是“多對一”的對應關系，而非傳統(tǒng)觀點認為的“一對一”關系，即地磁倒轉對生物生存環(huán)境造成的損害應該是長期的、可積累的；其次，地磁倒轉造成磁層保護作用減弱既能造成高能粒子入侵，又使得氧離子逃逸加劇，但只有氧離子逃逸是可積累的；最后，相比當前的氧逃逸的情況，地磁倒轉期間的氧逃逸機制更接近于當前的火星（圖2）。
在地球和行星的空間環(huán)境中，驅動粒子逃逸的主要因素是太陽風。該合作團隊分別使用了恒星演化模型和位于天蝎座南部的一顆比太陽年輕3億年以上的恒星18 scopii來近似求取顯生宙太陽風的變化范圍。削弱行星粒子逃逸的主要因素是內稟磁場。地核中存在活躍的發(fā)電機，其所產(chǎn)生的磁場延伸到空間形成磁層，阻止太陽風與空間粒子直接接觸，從而削弱其剝蝕效應；而當前火星沒有發(fā)電機，僅有微弱的巖石剩磁，據(jù)估計其發(fā)電機可能在幾十億年前已經(jīng)停止。由于缺乏磁場的保護，火星上水幾乎已逃逸殆盡。他們采用比較行星學的方法，改造火星氧逃逸的模型應用于磁場倒轉時期的地球，對氧粒子逃逸率的變化情況進行了估算。結果發(fā)現(xiàn)，地磁倒轉期間氧逃逸率可增加1000倍以上，量級上接近1986年哈雷彗星飛掠地球軌道時所測得的氧損失率，其累積結果可以解釋大氣氧含量的下降，從而證實了新觀點的可能性。
這項研究對地磁倒轉和生物大滅絕的因果關系提出了新的解釋：在長達數(shù)百萬年的時間里，地磁倒轉頻率升高，地磁場對氧粒子的保護作用頻繁減弱，氧粒子逃逸率頻繁增加，導致大氣氧含量持續(xù)下降，并最終降至誘發(fā)生物大滅絕的閾值。該研究結果不僅為建立“地磁倒轉-氧逃逸-生物滅絕”因果關系鏈提供了理論依據(jù)，還為地球與行星物理的綜合研究提供了例證和思路。
該研究成果近期發(fā)表于國際地學期刊Earth and Planetary Science Letters（Wei et al. Oxygen escape from the Earth during geomagnetic reversals: implications to mass extinction. Earth and Planetary Science Letters, 2014, 394: 94-98）。
圖1 顯生宙地磁倒轉率（向下為增加）、大氣氧含量、生物數(shù)量的對比
圖2 （A）地磁倒轉時期可能的四極子磁層位形；（B）當前的偶極子磁層位形；（C）地磁發(fā)電機停止后的感應磁層位形，類似于火星。
