古代赤道極光揭示西太平洋磁異常演化

何 飛，魏 勇

中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029

地球是一個(gè)多圈層耦合系統(tǒng)，從內(nèi)部到表面、大氣和空間的相互作用，共同塑造了地球的宜居環(huán)境. 偶極磁場(chǎng)的產(chǎn)生使地球環(huán)境逐漸演變?yōu)橐司樱缃鹦呛突鹦桥紭O磁場(chǎng)的消失使這兩顆行星的環(huán)境走向了另一個(gè)極端. 地球磁場(chǎng)起源于地核發(fā)電機(jī)過(guò)程，而地核熱動(dòng)力學(xué)和化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化則會(huì)導(dǎo)致地磁場(chǎng)的顯著改變，導(dǎo)致地磁場(chǎng)的減弱甚至極性倒轉(zhuǎn)，削弱對(duì)地球系統(tǒng)的保護(hù)，造成生物大滅絕（Wei et al., 2014）. 因此探究地磁場(chǎng)的起源和長(zhǎng)期變化一直是地球系統(tǒng)科學(xué)的前沿問題，也是難點(diǎn).

地球偶極磁場(chǎng)并不是均勻的，南大西洋異常區(qū)（south Atlantic anomaly, SAA）就是一個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度顯著負(fù)偏離的異常區(qū). 弱磁場(chǎng)導(dǎo)致內(nèi)輻射帶高能粒子沉降至更低的大氣層，威脅近地軌道衛(wèi)星安全，同時(shí)與中性大氣碰撞激發(fā)赤道極光（He et al.,2020）. 赤道極光強(qiáng)度與變化取決于高能粒子通量的變化，而后者與磁場(chǎng)變化密切相關(guān)，因此，通過(guò)赤道極光變化規(guī)律就可以反推磁場(chǎng)的變化規(guī)律，這為我們研究歷史上磁場(chǎng)的變化打開了一扇寶貴的窗戶.

利用古代航海數(shù)據(jù)建立的gufm1全球地磁模型（Jackson et al., 2000）曾首次展示了16～18世紀(jì)期間，西太平洋地區(qū)存在明顯的負(fù)偏離，即西太平洋 磁 異 常 區(qū)（west Pacific anomaly, WPA）（圖1a）. 但由于模型不可避免的時(shí)間平滑處理，較短時(shí)間尺度上演變信息無(wú)法獲知. 在WPA的北方，古代中國(guó)、朝鮮和日本保存了大量的歷史古籍，特別是在16～18世紀(jì)，古朝鮮保存了大量天分辨率的官方日記，其中包含詳盡的天氣、天象等信息.在天象記錄中有一種在夜間頻繁發(fā)生于朝鮮半島南方的大氣發(fā)光現(xiàn)象——“有氣如火光”，與當(dāng)今SAA區(qū)域肉眼可見和動(dòng)態(tài)變化的赤道極光相似（He et al., 2020），表明“有氣如火光”就是赤道極光，是由WPA區(qū)域弱磁場(chǎng)導(dǎo)致的高能粒子沉降激發(fā)（圖1b）. 通過(guò)對(duì)公元918～1910年期間的3本古代朝鮮官方史書進(jìn)行系統(tǒng)的整理，共發(fā)掘出2 013條極光記錄（魏勇和萬(wàn)衛(wèi)星, 2020; Wang et al., 2021），為研究WPA演化提供了重要資料.

圖1 （a）WPA與（b）赤道極光示意圖Fig. 1 (a) Illustration of WPA and (b) equatorial aurora

基于古代赤道極光數(shù)據(jù)庫(kù)，He等（2021）結(jié)合古地磁模型和地磁發(fā)電機(jī)模擬開展了交叉研究工作，發(fā)現(xiàn)總體上赤道極光的發(fā)生概率與WPA的磁場(chǎng)下降相吻合，而赤道極光發(fā)生概率和方位均呈現(xiàn)百年尺度的震蕩. 進(jìn)一步利用利茲大學(xué)地磁發(fā)電機(jī)模型，采用1590年的模型磁場(chǎng)作為演化背景，使用4種幾何構(gòu)型的液態(tài)外核流模型進(jìn)行約束和優(yōu)化計(jì)算，得到的結(jié)果都顯示，WPA區(qū)域的磁場(chǎng)變化速率均足以驅(qū)動(dòng)赤道極光的頻繁發(fā)生和百年震蕩，進(jìn)而表明WPA在百年時(shí)間尺度上震蕩并消失.

研究工作首次清晰地呈現(xiàn)了地球內(nèi)部與空間的緊密聯(lián)系與協(xié)同演變，內(nèi)部變化影響空間環(huán)境，空間現(xiàn)象反映內(nèi)部演化. WPA的演化對(duì)于理解SAA和地磁場(chǎng)的整體變化及其內(nèi)部控制機(jī)理具有重要的指示作用. 現(xiàn)代觀測(cè)數(shù)據(jù)表明SAA區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度和全球偶極磁場(chǎng)強(qiáng)度都在持續(xù)減弱，SAA范圍在不斷擴(kuò)大并伴隨西向漂移，是否可能會(huì)誘發(fā)下一次地磁倒轉(zhuǎn)不得而知，其引起的全球環(huán)境效應(yīng)也值得關(guān)注. 未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)在西太平洋地區(qū)的考古磁學(xué)、古地磁和古環(huán)境研究，豐富和完善1800年之前的地磁記錄，為構(gòu)建準(zhǔn)確的WPA演化模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而也為預(yù)測(cè)地球磁場(chǎng)的未來(lái)演變提供堅(jiān)實(shí)的依據(jù). 借古喻今，我們應(yīng)充分利用和證認(rèn)古籍文獻(xiàn)中的科學(xué)數(shù)據(jù)，探知地球系統(tǒng)的過(guò)去，從而更可靠地預(yù)測(cè)未來(lái)變化.

附中文參考文獻(xiàn)

魏勇，萬(wàn)衛(wèi)星. 2020. 古代朝鮮極光年表[M]. 北京：科學(xué)出版社.