古代赤道极光揭示西太平洋磁异常演化

何 飞，魏 勇

中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029

地球是一个多圈层耦合系统，从内部到表面、大气和空间的相互作用，共同塑造了地球的宜居环境. 偶极磁场的产生使地球环境逐渐演变为宜居，正如金星和火星偶极磁场的消失使这两颗行星的环境走向了另一个极端. 地球磁场起源于地核发电机过程，而地核热动力学和化学结构的变化则会导致地磁场的显著改变，导致地磁场的减弱甚至极性倒转，削弱对地球系统的保护，造成生物大灭绝（Wei et al., 2014）. 因此探究地磁场的起源和长期变化一直是地球系统科学的前沿问题，也是难点.

地球偶极磁场并不是均匀的，南大西洋异常区（south Atlantic anomaly, SAA）就是一个磁场强度显著负偏离的异常区. 弱磁场导致内辐射带高能粒子沉降至更低的大气层，威胁近地轨道卫星安全，同时与中性大气碰撞激发赤道极光（He et al.,2020）. 赤道极光强度与变化取决于高能粒子通量的变化，而后者与磁场变化密切相关，因此，通过赤道极光变化规律就可以反推磁场的变化规律，这为我们研究历史上磁场的变化打开了一扇宝贵的窗户.

利用古代航海数据建立的gufm1全球地磁模型（Jackson et al., 2000）曾首次展示了16～18世纪期间，西太平洋地区存在明显的负偏离，即西太平洋 磁 异 常 区（west Pacific anomaly, WPA）（图1a）. 但由于模型不可避免的时间平滑处理，较短时间尺度上演变信息无法获知. 在WPA的北方，古代中国、朝鲜和日本保存了大量的历史古籍，特别是在16～18世纪，古朝鲜保存了大量天分辨率的官方日记，其中包含详尽的天气、天象等信息.在天象记录中有一种在夜间频繁发生于朝鲜半岛南方的大气发光现象——“有气如火光”，与当今SAA区域肉眼可见和动态变化的赤道极光相似（He et al., 2020），表明“有气如火光”就是赤道极光，是由WPA区域弱磁场导致的高能粒子沉降激发（图1b）. 通过对公元918～1910年期间的3本古代朝鲜官方史书进行系统的整理，共发掘出2 013条极光记录（魏勇和万卫星, 2020; Wang et al., 2021），为研究WPA演化提供了重要资料.

图1 （a）WPA与（b）赤道极光示意图Fig. 1 (a) Illustration of WPA and (b) equatorial aurora

基于古代赤道极光数据库，He等（2021）结合古地磁模型和地磁发电机模拟开展了交叉研究工作，发现总体上赤道极光的发生概率与WPA的磁场下降相吻合，而赤道极光发生概率和方位均呈现百年尺度的震荡. 进一步利用利兹大学地磁发电机模型，采用1590年的模型磁场作为演化背景，使用4种几何构型的液态外核流模型进行约束和优化计算，得到的结果都显示，WPA区域的磁场变化速率均足以驱动赤道极光的频繁发生和百年震荡，进而表明WPA在百年时间尺度上震荡并消失.

研究工作首次清晰地呈现了地球内部与空间的紧密联系与协同演变，内部变化影响空间环境，空间现象反映内部演化. WPA的演化对于理解SAA和地磁场的整体变化及其内部控制机理具有重要的指示作用. 现代观测数据表明SAA区域磁场强度和全球偶极磁场强度都在持续减弱，SAA范围在不断扩大并伴随西向漂移，是否可能会诱发下一次地磁倒转不得而知，其引起的全球环境效应也值得关注. 未来应加强在西太平洋地区的考古磁学、古地磁和古环境研究，丰富和完善1800年之前的地磁记录，为构建准确的WPA演化模型提供基础数据，从而也为预测地球磁场的未来演变提供坚实的依据. 借古喻今，我们应充分利用和证认古籍文献中的科学数据，探知地球系统的过去，从而更可靠地预测未来变化.

附中文参考文献

魏勇，万卫星. 2020. 古代朝鲜极光年表[M]. 北京：科学出版社.