拉尚漂移（Laschamps Excursion）是發(fā)生在大約42-41 ka的一次相對較短時間（<1000年）的地磁漂移事件，1969年首次在法國奧弗涅區(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道，是研究地磁場極性變化影響的最好時期之一。雖然對格陵蘭冰芯的研究未能揭示拉尚漂移對高緯度古氣候的影響（Wanger, 2001），但拉尚漂移時期，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)生了整個大陸的干旱化和巨型動物的滅絕。此外，該時期到達地球大氣層的太陽和宇宙輻射水平顯著增加，大氣電離作用增強，臭氧水平減弱。這些環(huán)境變化的時間大致與拉尚漂移的時間一致，但由于對拉尚漂移發(fā)生的準(zhǔn)確時間以及持續(xù)時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等人針對拉尚漂移開展了年代學(xué)以及與環(huán)境變化的關(guān)聯(lián)性研究。利用新西蘭生長于42 ka前具有1700年年輪的貝殼杉（Kauri Tree）古樹中記錄的14C變化信息，結(jié)合氣候模型模擬結(jié)果，將地磁場倒轉(zhuǎn)與大規(guī)模的環(huán)境變化聯(lián)系起來，認為在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，并可能對當(dāng)時澳大利亞的大型哺乳動物的滅絕，尼安德特人從歐洲的消失與智人占據(jù)統(tǒng)治地位，歐洲和亞洲開始出現(xiàn)洞穴壁畫等產(chǎn)生了影響。
由于地磁場保護著地球免受來自外太空宇宙射線的輻射，當(dāng)?shù)卮艌鰷p弱時，進入大氣層的宇宙射線變多，更多的14C由此產(chǎn)生，沉降的14C會被樹木吸收并保留，因此14C的變化可以反映當(dāng)時地磁場的變化。通過對四棵古樹化石橫截面進行14C同位素分析，并結(jié)合古樹的年輪數(shù)據(jù)獲得了一份能夠精確測定年代、連續(xù)1700年變化的大氣放射性14C記錄。將其與中國葫蘆洞的14C曲線（Cheng, 2018）對照，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，磁場強度減小到現(xiàn)今地磁場強度的0-6%，而在磁極倒轉(zhuǎn)期間，地磁場的強度約為現(xiàn)今的28%，這一現(xiàn)象作者稱之為“亞當(dāng)斯地磁場過渡事件”。亞當(dāng)斯地磁場過渡事件時期同時與太陽活動的極小期（Grand Solar minima）對應(yīng)。
采用貝殼衫-葫蘆洞14C變化曲線對多個42 ka附近的氣候環(huán)境事件進行重新標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)這些氣候環(huán)境變化均與亞當(dāng)斯地磁場過渡事件時間一致。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強度最小的地磁場過渡階段年齡一致。同時，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張，澳大利亞巨型動物滅絕的高峰期（~42.1 ka），澳大利亞東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，歐洲和亞洲開始出現(xiàn)大量洞穴壁畫等。因此，拉尚漂移時期地磁場強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）
該研究同時建立了全球化學(xué)氣候模型（SOCOL-MPIOM），使用現(xiàn)代地磁場偶極矩（M）和平均太陽調(diào)制勢（f）的現(xiàn)代值對拉尚漂移前的全球環(huán)境條件進行了一系列模擬，包括拉尚漂移時期減弱的地磁場對應(yīng)的兩種強弱的太陽活動狀態(tài)。模擬結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)卮艌鰷p弱（對應(yīng)拉尚漂移時期）與太陽調(diào)制強度減小時（對應(yīng)太陽極小期），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%），增加了對流層的O3混合比（~5%），整個大氣的臭氧水平也隨之改變（圖3）。這些改變會對中高緯度地區(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%，需要更長時間的運行來證實。
圖3 地磁場變?nèi)鹾吞柣顒訕O小期對全球化學(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)可能對拉尚漂移前后相對較短但十分極端的驅(qū)動變化十分敏感。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始迅速擴大。而它的擴大使得整個太平洋的大氣環(huán)流重組。這種半球尺度對突然驅(qū)動的反應(yīng)與由Pillar Rock研究揭示的南半球中緯度西風(fēng)的同步運動相一致。因此，該研究認為中低緯度在42ka左右同時發(fā)生的氣候和環(huán)境影響，與拉尚漂移之前的地磁場減弱是可以對應(yīng)的。
總之，該研究將地磁強度漂移與全球氣候和環(huán)境變化聯(lián)系起來，揭示了地磁場強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解。但地球磁場在歷史時期發(fā)生過很多次倒轉(zhuǎn)與漂移，這些地磁場倒轉(zhuǎn)和漂移事件，特別是超靜磁期結(jié)束后的地磁場倒轉(zhuǎn)，是否會對當(dāng)時的地球環(huán)境產(chǎn)生了影響，仍需要不斷探索。
主要參考文獻
Bonhommet N , J ZaHringer. Paleomagnetism and potassium argon age determinations of the Laschamp geomagnetic polarity event[J]. Earth & Planetary Science Letters, 1969, 6(1):43-46.
Cheng H, Edwards R L, Southon J, et al. Atmospheric 14C/12C changes during the last glacial period from Hulu Cave[J].Science, 2018, 362(6420):1293-1297.
Cooper A, Turney C S M, Palmer J, et al. A global environmental crisis 42,000 years ago[J]. Science, 2021, 371(6531): 811-818.
O’Connor S, Ono R, Clarkson C. Pelagic fishing at 42,000 years before the present and the maritime skills of modern humans[J].Science, 2011, 334(6059): 1117–1121.
Roberts, A P. Geomagnetic excursions: Knowns and unknowns[J].Geophysical Research Letters, 2008, 35(17):L17307.
Wagner G , Livingstone D M , Masarik J , et al. Some results relevant to the discussion of a possible link between cosmic rays and the Earth’s climate[J].Geophysical Research Letters, 2001, 106: 3381–3387.
作者:百科
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