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地磁四萬年前曾逆轉,引發了劇烈氣候變化

安比西林_96
・2021/04/07 ・2731字 ・閱讀時間約 5 分鐘

科幻作品中,導致世界毀滅原因的榜單上,總少不了「地磁逆轉」。這樣的情節並不只是科幻的危言聳聽,地球磁場就像地球的 AT 力場,可以阻擋來自太空的高能量粒子長驅直入,保護地球上的生靈。

地層中有些礦物可以記錄地磁方向,過去科學家由此得知地球誕生的這 45 億年以來,早已發生過好幾百次的地磁方向南北倒轉。雖然人類沒有紀錄、世界也沒有因此毀滅,但地磁逆轉對當時的生物而言,依然是一場可怕的大浩劫。

最近一次的地磁逆轉,發生在 42000 年前,新的研究告訴我們,當時還有太陽活動的改變,在這樣的共同影響下,引發一連串如末日電影情節的災難性事件:臭氧層被破壞、雷暴肆虐熱帶地區、太陽風產生壯觀的極光、北極冷空氣吹掃北美、冰蓋與冰川蔓延,造成氣候劇烈變化。

搖擺不定的地球磁極

電腦模擬下,非逆轉時期(左)與逆轉時期(右)的地球磁場示意圖。圖/wikipedia

雖然人類以指南針指引南北,但指南針指向的地磁北極,並非乖乖不變的一個定點。因地核運動的緣故,地磁北極會在地理北極——即地球自轉的軸心附近來回搖擺。地球磁極有時會發生更劇烈的變動,即前面所提的「地磁逆轉」,箇中原因科學家未有定論。  

人類首次發現地磁逆轉,就是前述發生在 42000 年前的「拉尚事件」(Laschamps event),也是被研究得最透徹的地磁逆轉。拉尚事件存在的證據散佈世界各地,最新來自澳洲塔斯馬尼亞一個天然冰河湖的沉積物岩芯。但地磁逆轉的發生,究竟會對地球的氣候與生態造成多大程度的影響,一直是科學上待釐清的疑問。來自澳洲新南威爾斯大學 (University of New South Wales) 與南澳博物館 (South Australian Museum) 的科學團隊最新的研究發現,地磁逆轉對地球帶來的衝擊比過去所想象的來得大,其影響範圍遍佈全球。 

解密地磁逆轉的羅塞塔石碑——紐西蘭貝殼杉

 世界上的最好木材之一、可以生長逾千年的紐西蘭貝殼杉Agathis australis),又名考裏松(毛利語稱為 Kauri),在紐西蘭北部的泥潭沼澤中沉睡超過四萬年也不會腐朽,成為研究拉尚地磁逆轉事件最佳的實驗材料。

研究人員利用碳 14 定年法,分析紐西蘭貝殼杉年輪中的碳 14 比值,重現過去地球大氣層變化的高解析度時間軸。地球上所有的碳 14,都是大氣層中的氮原子,被宇宙輻射中的中子束撞擊後的產物。地球磁場會使宇宙輻射發生偏折,減少來到大氣層的宇宙輻射。因此磁場減弱時,更多的碳 14 就會誕生。結果顯示,過去研究中磁場强度的最低點、地磁逆轉之時,正好與貝殼杉記錄到的大氣層碳 14 高峰相吻合。這一發現幫助科學家建立更精準的新時間軸,突破過去待確定的疑問。

生長千年、萬年不朽的紐西蘭貝殼杉成為研究地磁逆轉的關鍵實驗材料。

「紐西蘭貝殼杉就像羅塞塔石碑[註],幫助我們將世界各地其他洞穴、冰芯和沼澤地所留存的環境變化記錄,連接起來。」領導這項研究計劃的 Alan Cooper 博士如此説道。

貝殼杉碳 14 的記錄,成為一個很好的校正基準,確定各個關鍵事件的時間點。地球發生的許多重大變化,如熱帶輻合帶(Intertropical Convergence Zone)和盛行西風帶(South Hemisphere Westerlies)在地磁逆轉時,突然同時改向兩極移動,為部分地區如澳洲帶來乾旱,導致一波古代巨獸的滅絕潮。而在北方,廣袤的勞倫斯冰蓋席捲如今的美國西部和加拿大地區,而歐洲的尼安德塔人也走向滅亡。

從紐西蘭 Ngāwhā 取得的古老紐西蘭貝殼杉原木。圖/Nelson Parker

建構氣候模型,還原末日時刻

為探究大大弱化的地球磁場,對大氣的電離作用、化學與動態變化之影響,研究團隊也建構了全球尺度的化學與氣候變化關係之模型,同時調查太陽能量的改變。

當時地球磁場的强度減弱到今天的 6% 以下,是羅盤也會找不着北的程度。因此近乎失去磁場的地球,就像在充滿危險高能量粒子的太空中衣不蔽體,宇宙輻射可直接到達大氣層。而與此同時,太陽正經歷好幾次的太陽活動極小期(Grand Solar Minimum),儘管總體而言這時期的太陽活動較不頻繁,但也更不穩定,常常噴發巨大的太陽耀斑,使更强大的宇宙射線襲向地球。模型顯示,更禍不單行的是來自太空和太陽耀斑的宇宙射線,穿透大氣層上層使空氣中的分子帶電,造成一系列的化學反應,讓平流層的臭氧也流失慘重。此時期的地球表面,磁場與臭氧層的保護同時被削弱,對生物有害的宇宙輻射與紫外光比以往更強烈。

向宇宙神秘數字 42 致敬的亞當斯事件

模型所模擬的結果,與在各地觀察到自然氣候與環境改變的歷史記錄一致。氣候劇變下的末日,生物曝露在高强度的紫外線中,尼安德塔人和巨獸被無情淘汰,人類的祖先智人則躲入洞穴中。這也能解釋史前洞穴壁畫,為什麼會在四萬年前突然蓬勃出現。

地磁逆轉造成的極端氣候變遷,與太陽活動極小期,都剛好在 42000 年前同時發生。為紀念和宇宙神秘數字 42 的巧合,研究團隊將這段時間稱為「亞當斯事件」(Adams Event),以向提出這個數字的經典科幻作品《銀河便車指南》作者道格拉斯·亞當斯(Douglas Adams)致敬。數字 42 被喻為指向生命、宇宙和一切的終極答案。這真的是巧合嗎?沒有人知道。

有關「亞當斯事件」的有趣小短片

註解

羅塞塔石碑:製作於公元前 196 年,由於刻有古埃及法老王詔書內容的三種不同語言版本(古埃及象形文、埃及草書、古希臘文),讓考古學家得以有機會解讀出失傳千年的埃及象形文字,因此也被喻為破解謎題的關鍵。

參考資料

  1. Earth’s magnetic field broke down 42,000 years ago and caused massive sudden climate change
  2. Cooper, A., Turney, C. S., Palmer, J., Hogg, A., McGlone, M., Wilmshurst, J., … & Zech, R. (2021). A global environmental crisis 42,000 years ago. Science, 371(6531), 811-818.
  3. Radiocarbon dating considerations

延伸閲讀

  1. 地球磁場即將反轉?
  2. 跨年夜的捷運改變了地球磁場?那真是比萬磁王還要狂啊!
  3. 地球磁場倒轉到底多快?洞穴石筍古地磁紀錄大解密
  4.  地磁逆轉與太陽閃焰殺手

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要認清人家長得「圓滾滾」,真的有這麼難?關於地平說的二三事

Mia_96
・2021/04/17 ・4773字 ・閱讀時間約 9 分鐘

「地球到底是不是圓的?」這個疑問從過去到現在一直是為人所樂道的話題。

平的地球?圓的地球?

雖然對大部分臺灣人來說,地平說幾乎就是驚世駭俗、毫無基本常識的說法,然而,真實世界中真的有那麼一群瘋狂的人,認為「圓地球是 NASA 的謊言」,甚至呼籲「大家不要被科學家騙了」,並且創立所謂的地平說協會(Flat Earth Society)、盛大舉辦討論地平說的研討會。

地平說支持者們認為地球其實像是一張 CD。圖/Pixabay

對於這些地平說支持者來說,地球究竟長成什麼樣子呢?事實上,有許多地平說支持者都強力主張「地球像是一張 CD」,北極,就是 CD 的中心點,而南極,則圍繞著 CD 外圈的區域。

在科學、科技發展快速的 21 世紀,對於受過義務教育、習得基本科學知識的現代人而言,地球究竟是圓的還是平的,這個問題我們早就有了一定的共識和解答,因此,目前只有極少數人被地平說的論點所折服。

然而,在古代,人們卻很難想像,我們所身處的地球竟然是一顆圓球!

「如果地球是圓的,為什麼我們不會掉進無盡的宇宙?」、「如果地球是圓的,為什麼人可以站在平面上?」,太多太多問題,都使得地球是圓的這件事情不被眾人所接受。

古代人才不笨!圓地球的種種跡象

但其實,早在古希臘,人們便已經透過許多不同的方式去佐證地球是圓的,而後這個想法便被稱之為「地圓說」。

學者們也漸漸提出許多關於地圓說的相關證據,例如,觀察遠方駛近港口的船,如果地球是平的,人們應該會直接看到整艘船緩緩駛入港口,但在船駛入時,人們卻是先看到船桿,才逐漸看到船體。

有不少古代學者透過觀察生活中的各種跡象,支持並贊同地圓說。圖/Pixabay

當月食發生時,擋住月球的地球影子看起來是圓弧形狀,人們從中推測地球也應該是圓球狀,此外,在各緯度旅行的商隊也發現,當越往北方高緯度走時,北極星的仰角越來越高,且不同緯度看到的星座位置也會發生改變。

種種證據都讓古代人越來越相信地圓說,並且開始接受其實地球是一顆圓球。而古希臘學者——埃拉托斯特尼,便是利用地圓說為基礎,成功算出地球周長!

兩千年前,人家就算出地球的圓周長啦!

埃拉托斯特尼是一位精通數學、天文、地理等各種面向的古希臘學者,居住在亞歷山卓城。

古希臘學者埃拉托斯特尼。圖/Wikipedia

在亞歷山卓城的南方有一座賽伊尼城,每當夏至(太陽直射北回歸線)時,太陽會剛剛好位在賽伊尼城的上方,而太陽光也會直直地射入賽伊尼城的一口井裡,當埃拉托斯特尼聽說這件事情時,便想到了測量地球周長的方法。

賽伊尼城與台灣在地圖上的相對位置。圖/作者提供

當太陽直射北回歸線當天中午,埃拉托斯特尼在亞歷山卓城立了一根垂直的木棍,根據木棍的影子測量出當天太陽照射亞歷山卓城的角度,他發現,當天正午時刻,太陽並不在亞歷山卓城的正上方,而在稍微偏南一點的天空中,埃拉托斯特尼測得太陽光射到地面的角度與豎立的木棍中間夾了大約 7.2 度的夾角。

因太陽距離地球很遠、很遠、很遠,我們可以將太陽光視為平行光,當太陽光照射到亞歷山卓城豎立的木棍,並夾了 7.2 度的夾角時,透過推算可以得知,從亞歷山卓城延伸到地心時與賽伊尼城延伸到到地心時的角度同時也夾了 7.2 度的夾角(即數學中內錯角的概念)。

從亞歷山卓城延伸到地心時與賽伊尼城延伸到到地心時的角度同時也夾了 7.2 度的夾角。圖/作者提供

換句話說,即是代表亞歷山卓城與賽伊尼城這段圓弧線所對應的弧長為 7.2 度,這時,只要再知道亞歷山卓城與賽伊尼城兩地的距離,便可以用比值的方式去得出地球真正的圓周長度。

埃拉托斯特尼詢問了往返兩地的駱駝商隊,簡易估算從亞歷山卓城到賽伊尼城的距離約為現今的 800 公里,既然 800 公里的弧長對應到 7.2 度,地球是球體,所以應為 360 度,埃拉托斯特尼便利用了比值的方法算出「地球的總長,應為 4 萬公里左右」。

自此,透過駱駝與影子,埃拉托斯特尼成為了丈量地球周長的第一人,而距今兩千年的埃拉托斯特尼所測出的地球周長,也與現今我們所測得的地球周長十分接近。

距今兩千年前,埃拉托斯特尼就算出地球的圓周長啦!

中國人「天圓地方」的宇宙觀

西方的地圓說使的埃拉托斯特尼找出地球周長,而在東方,則發展出兩種不同的學說——蓋天說渾天說

蓋天說與渾天說同時認為「天道圓,地道方」,兩者最大的不同在於:

  • 蓋天說:我們所站立的地面是被一個「半球體」所覆蓋。
  • 渾天說:我們所站立的地面是被「一整顆圓球」圍繞。

雖然兩個學說對於天的概念十分相背,但卻同時認為,我們所站立的地面是平的,而並不是一顆球體。

在蓋天說與渾天說的爭論中,最後到底由誰勝出?一直到了唐朝,天文學家僧一行為了修改曆法而進行天文測量時,才成功確立渾天說的地位!

當時唐朝所使用的曆法顯示,九月某一日應該會發生日食現象,但觀測後的結果卻與當時曆法產生極大的差異,唐玄宗便決定要修正曆法上的誤差,而當時修正曆法的工作,便交給了僧一行等人。

曆法的制定與地球繞著太陽公轉大有相關,以現今時常聽到的 24 節氣為例,就是透過太陽正午時的仰角所訂定出來的,因此,僧一行決定先測量中國各地,當正午時分太陽光照射到地面時,竿影長度的變化,藉由太陽照射角度與影子的變化,推算正確的曆法時間。

僧一行想利用太陽照射角度,去推算正確的曆法時間。圖/Pixabay

中國史上第一次全國大地測量!

首先,僧一行找出數個觀察點,北至蒙古,南至越南,開始測量每一個觀察點在不同日期的正午,太陽照射所產生的「竿影長度」。

古代流傳著「日影一寸,地差千里」的說法,因此當時的中國人大都認為,當兩個地方測量到的竿影長度相差一寸(約為現在的 2.5 公分),則兩地的距離相差為 1000 里(約為現在的 250 公里)。

然而,隨著僧一行等人不斷測量和計算,他發現,測量數據並不符合「日影一寸,地差千里」的說法,當兩地距離千里時,竿影長度並不一定相差一寸。

地圓說與地平說造成日影丈量的誤差。圖/作者提供

為什麼古代人會流傳著「日影一寸,地差千里」這種錯誤的論點呢?因為當時無論是蓋天說或是渾天說,都認為地球是平的!在天圓地方的宇宙觀中,古代人認為,不同地點會接收到來自不同角度的太陽光,並使得不同地點的竿影長度會隨著距離越遠而變得越長(上圖右方)。

但實際上,造成各地竿影產生差異的關鍵,其實是因為地球本身是一顆自轉軸傾斜的「球體」,在遙遠太陽的直射光之下,才顯得各地太陽照射角度隨著時間而不同,並在各地產生不同長度的竿影!

既然「日影一寸,地差千里」來自地平說的錯誤基礎,當然就不符合與僧一行等人測量出來的資料結果啦!

然而,雖然僧一行等人推翻了過往的說法,卻不知道箇中原因。

他不僅是和尚,也是一位天文學家

除了駁斥過往的說法,僧一行等人也找出其他的規律!

當時學者們已經具有各地所看到的星空會產生改變的知識基礎,所以僧一行不僅在各地測量了竿影長度,也開始測量各地所看到的「北極星仰角高度」

北極星仰角高度,就是從地面抬頭仰望北極星之角度,如同當今「緯度」的概念,而僧一行好奇的是,各地北極星的高度變化(也就是各地緯度)與兩地距離之間是否有相關。

透過計算,僧一行等人發現,當兩地在同一子午線上間隔約 130 公里時,其北極星高度約相差 1 度,也就是在同一條經線上,當兩點的緯度相差 1 度時,距離約相隔 130 公里註1!僧一行等人透過北極星高度成功算出子午線上的 1 度長!

僧一行算出了經線上緯度相差一度時的長度,也就是緯度改變一度時經度上南北方向的距離變化。圖/Wikipedia

算出經線的長度了,然後呢?

隨著僧一行等人持續進行精密的計算與後續的天文觀測,最終成功為唐朝編制出《大衍曆》,不僅解決曆法上的誤差,更使大衍曆成為後續曆法的重要基礎。

等等!就這樣?他們只測得子午線的 1 度長?

然後,就沒有然後了。僧一行等人只有算出子午線 1 度長,並沒有繼續算出地球圓周長。追根究柢,僧一行等人止步於此的主要原因,最終還是回歸到當時東方人所信奉的是「渾天說」而非「地圓說」。

由於渾天說認為地面是平的,因此僧一行等人雖然算出子午線的 1 度長,但他們受困於根深蒂固的古代東方宇宙觀而無法繼續往下思考,也無法像埃拉托斯特尼一樣得出地球的圓周長。

逐漸擺脫地平說的掌控

到了明朝,雖然中國科學家終於提出了「接近」地圓說的概念,但仍難以擺脫地平說的影響,使得他們提出的概念比較偏向「陸球觀」:只勉強承認大地是圓的,但四周的海洋依舊是平面的圍繞著大地。

換句話說,雖然明朝科學家認定「地表是圓球狀」的結構,但其背後的核心觀念還是較接近地平說的觀點,他們勉強承認大地是球形的,但認為海洋是平面的,海洋佔據宇宙的下半部,而陸地浮在平面的海洋上。

「圓地球」的概念,到了明朝末年才漸漸開始走進中國人的心裡。圖/Pixabay

直到明朝末年,西方傳教士逐漸將西方的地圓說、地圖帶至東方後,「地球」的概念才逐漸被東方所接受,而世界各地的人們,也透過科學家們提出的各種證據開始相信,地球是一顆圓球!

無論是埃拉托斯特尼成功算出地球周長,或是僧一行得出子午線一度的長度,其實科學就是一個不斷演進的過程,科學家不斷在過程中發現、嘗試、犯錯、再發現,跳脫過往不曾懷疑過的觀念,抽絲剝繭並發展出新的知識。

從地表到外太空,再到整個太陽系,人類經歷了多少的努力?圖/Pixabay

對於 21 世紀的我們來說,「地球」只是平凡不已的常識,地球圓周長、經緯度座標系也是教科書上實實在在的數字與基本概念,但現在,我們知道,在這些看似「理所當然」的背後,其實是數百、數千來的嘔心瀝血與跋山涉水。

註解

  1. 今日所得之經線 1 度長約為 111.7km。

參考文獻

  1. 楊榮垓,楊效雷(2018)。一位身披袈裟的科學家:僧一行的故事。
  2. 宋正海. (2012). 傳統地平大地觀. 中華科技史學會學刊, (17), 79-82.
  3. 【大宇宙小故事】01 平的還是圓的 | CASE報科學

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