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某科學の超電報

地球磁場倒轉到底多快?洞穴石筍古地磁紀錄大解密

  • 首圖說明:(A)利用華南石筍重建介於九萬八千到九萬六千年前的一個歷時兩千兩百年典型周氏震盪週期。地磁極從正向(現今地磁的南北方向)僅需 86-202 年之間,就快速倒轉到反向,隨後馬上反彈到中緯度區域;再歷經兩千年,才慢慢轉回高緯度的原正向位置。(B)計算出來的九萬八千年的地磁極快速倒轉飄移路徑,大約自現在磁北極的位置,向南漂移百年後,倒轉到接近南極的地點。

首次揭露地磁的「周氏震盪」以及百年倒轉事件

地球磁場阻擋著太陽風對地球的吹襲,保護地球上的生靈與萬物。根據科學研究發現,在過去一百五十年地磁場已經減少了百分之十到十五,若再持續削落,未來將有發生地磁倒轉的可能,造成磁爆,太陽風直接侵襲地球,將會對衛星通訊及自然生態,造成無法估計的損害。但地球磁場倒轉究竟會有多快?過程又是如何變化?從兩千年前人類發現地球具有磁性以來,直至今日這些問題依舊成謎。

地球磁場像一面隱形盾牌,阻擋太陽風對地球的直接侵襲。 圖/台灣大學提供

本論文的通訊作者,臺灣大學地質系沈川洲特聘教授,領導團隊測量華南地區洞穴石筍的超微量地磁訊號,並結合全球領先的精準鈾釷定年關鍵技術,成功重建解析度精準至僅幾十年,發生在十萬年前,歷時一萬六千年的珍貴地磁紀錄。

研究中最驚人的發現是,在九萬八千年前,地磁極最快可以在一百年內發生一次倒轉。

團隊同時發現,在地球磁場非常微弱的十萬年前,地磁極呈數百年到幾千年不等的特殊重現性不對稱南北飄移,稱之為周氏震盪。本研究首次揭露的周氏震盪以及百年倒轉事件,完全顛覆了過去對地球磁場的認知,是獨步全球的研究成果。這個重大發現,已在 8 月 20 日於國際頂尖期刊「美國國家科學院院刊」 《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》發表。

地球磁場的重要角色:保護地球生物及電子通訊

地球磁場已存在幾十億年,可將太陽風與帶電宇宙射線粒子偏轉遠離地球,像一面隱形盾牌保護大氣層免於在高速帶電粒子撞擊下而消失,同時也阻隔生物受到有害的宇宙射線影響,是維持地球生物蓬勃發展的關鍵因素。

假如將來發生了地球磁極快速倒轉的現象,磁北極先從北半球高緯度地區飄向低緯度,然後再飄往南半球高緯度地區;過程中,當磁極處於低緯度時,從太陽輻射出的高速帶電粒子流,將直接侵襲地球,破壞衛星、航空、通訊與電力系統,可能導致網路癱瘓,全球股市與金融的失序,對於現代文明,將是一大衝擊。至於候鳥、鮭魚等許多具有感應磁場能力的生物,可能會辨識錯亂,進而改變局部生態;大氣結構與水文氣候也將可能會有所改變。

突破的關鍵:帶磁的石筍與精確定年技術

研究人員進行洞穴探勘。 圖/台灣大學提供

1920 年代,科學家第一次在岩石中發現地磁倒轉事件。經過百年研究以來,大家已經都知道在過去地球歷史中,地球磁場會飄移,也會倒轉;但飄移的細微過程,以及地磁極倒轉的速度到底有多快,一直是科學界最艱鉅、難以回答的問題之一。其根本原因在於研究材料本身的限制與高解析定年的困難。

沈教授指出,火成岩、沉積岩與湖泊/海洋沉積物,是過去兩個世紀以來一直被廣泛利用來了解地磁紀錄與反轉事件時間的研究對象。火成岩具有強磁性且可以準確定年,但很難有連續紀錄。沉積岩與湖泊/海洋沉積物中含有的磁性礦物可以告訴我們連續的古地磁紀錄,但是高解析的定年則較為困難,而且沉積物總是容易被攪動混合,很難取得細緻的古地磁變化紀錄。

洞穴石筍可以被精確定年,生長時磁性礦物嵌埋在石筍中不被擾動,是提供連續原始古地磁紀錄的理想材料。雖然石筍在 1979 年第一次被用於古地磁研究,但由於石筍的成份幾乎全是碳酸鹽類,即使有磁性礦物存在,其含量還是非常少,古地磁訊號微弱,大概僅有相同體積火成岩中百萬分之一的強度,所以極難被測量。縱使重建了古地磁紀錄,解析度都很粗糙;於是往後的三十年,石筍很少再被應用於古地磁研究。

為了尋找含有足夠磁性礦物的洞穴石筍,研究團隊踏遍世界五大洲,終於在中國貴州找到。 圖/台灣大學提供

近年來,由於定年技術的躍進以及磁學儀器測量靈敏度的不斷提升,在 2012 年後,石筍又再次被應用於古地磁研究。縱使如此,但仍碰上關鍵瓶頸──含有足夠磁性礦物的石筍非常稀少,合適的研究材料猶如大海撈針,難以尋得。

沈教授表示,能夠完成不可能的任務,獲得突破性的成果,實屬不易。他自 2001 年返國服務,就有這個科學目標;在過去十幾年間,他帶領兩岸科學家,遍尋各大洲,以及中國大陸叢山峻嶺。團隊從找到具有磁性的石筍到成果發表,總共花了八年時間。

與沈教授長期合作的福建師範大學姜修洋教授,自 2010 年開始對華南貴州進行系統性調查,次年 11 月第三次探勘三星洞時,終於採到了含有磁鐵礦、長一公尺、直徑約八公分的石筍標本。

沈川洲教授與第一作者周祐民教授在野外合影。 圖/台灣大學提供

第一作者南方科技大學海洋科學與工程系周祐民助理教授,2012 臺大博士班畢業,自 2014 年起以博士後研究員身分,加入沈教授的研究室,使用臺大地質系領先世界的鈾釷定年技術,還有北京中科院的低溫超導測磁儀,進行實驗。本研究還與新竹國家同步輻射研究中心合作,利用高解析電子顯微鏡,鑑定石筍中磁性礦物。所有分析工作,前前後後共花了四年時間;最後取得 180 個古地磁資料以及 70 個定年點,成功重建了發生在十萬年前,具有史無前例的數十年精緻解析度,前後共一萬六千年的珍貴地磁紀錄。

獨步全球的研究成果:周氐震盪與百年地磁倒轉

研究發現,在十萬年前地球磁場很弱而且非常不穩定,石筍資料顯示出不斷重複發生、相似性極高的不對稱性地磁極南北飄移模式與週期。這種特殊的周氏震盪模式,地磁極首先從正向(現今地磁的南北方向)經一百到幾百年,就快速倒轉到反向,隨後馬上反彈,但並非轉回完全正向,而是先轉回到中低緯度區域,然後再歷經數百年到數千年才慢慢轉回高緯度的原正向位置。這種周氏震盪現象,其發生機制目前尚不清楚,但團隊相信應該與地球內部動力產生地球磁場的驅動作用有關。

研究中更驚人的發現是在九萬八千年前,地磁極僅需 86-202 年,即可以從正向(現今地球磁場的南北方向),快速地完全倒轉到反向。過去科學界普遍認為,磁極完全倒轉應該至少需要一千年;但此革新的研究告訴我們,磁極可能在百年內倒轉,遠比過去所估計的速度還快上 10 倍。

全文請參閱 8 月 20 日「美國國家科學院院刊」 《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》: August 2018, 201720404; DOI: 10.1073/pnas.1720404115. Multidecadally resolved polarity oscillations during a geomagnetic excursion

資助單位與研究團隊:

這項重大科學成果是由科技部卓越領航計畫、教育部深耕計畫、臺大前瞻領航計畫、與永續地球尖端科學研究中心共同資助,臺灣大學地質科學系沈川洲特聘教授領導完成,主要合作單位包含南方科技大學、國家同步輻射中心、福州師範大學、健行科技大學、中科院地質所與澳洲國立大學等等。

  • 本文編修自台灣大學新聞稿,原標題為〈地球磁場倒轉到底有多快?洞穴石筍古地磁紀錄大解密──臺灣大學研究團隊成果榮登《PNAS 美國國家科學院院刊》〉
 

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