​4万年前地球遭超剂量宇宙射线猛烈轰击：当时究竟发生了什么？

地球曾因磁场变弱而遭宇宙射线猛烈轰击。

地球的大气层。NASA

来自宇宙的高能粒子流无时无刻不在试图蹂躏地球。这些粒子流即是所谓的宇宙射线，主要由氢核构成。它们产生自某些高能的天体物理学事件——比如由大质量恒星死亡导致的超新星爆发。这些粒子能以近光速飞行。幸亏有磁场的保护，地球才得以不被宇宙射线肆意伤害。

但磁场并非不变的实体。事实上地球磁场的两个磁极是飘忽不定的，它们会在地球的地理两极附近来回摆动。不仅如此，地球磁场还会偶尔反转。反转发生时，地球的北磁极会变成南磁极，南磁极会变成北磁极。地球磁场的整体强度也会大幅衰减。

除了磁场反转，更匪夷所思的一种现象是所谓的“磁场出走（magnetic field excursion）”。“磁场出走”发生时，地球原本的南北磁极会突然消失，与此同时在全球的多个地区会出现多个磁极。“磁场出走”发生时，磁极的强度会变得极弱，其对地球的保护能力也被极大削弱，使地球暴露在更多的宇宙射线中。

科学家通常会用测量同位素的丰度，来确定地球在其演化史上的哪些时期遭受了更大剂量宇宙射线的轰击。

宇宙射线如果突破磁场的防护，与地球的大气层接触，就会产生大量的宇宙源放射性同位素，并像下雨一样落到地面。这些同位素会在沉积物中累积起来。科学家可以在海底，或南极和格陵兰的冰芯中寻找这些沉积物并加以研究。

备受关注的一次“磁场出走”事件名为Laschamps事件，发生在大约41000年前。德国波茨坦地质研究中心的科学家Sanja Panovska针对该时期地球磁场强度与铍10等宇宙源放射性同位素浓度之间的联系进行了研究。

研究结果表明，41000年前的宇宙源放射性同位素铍10产生率至少是今天的一倍。这意味着在所谓的Laschamps事件发生期间，地球磁场的强度衰减到了非常低的水平。当时有大量的宇宙射线抵达地球大气层，并产生了大量的次一级粒子雨。

而这也引出了另外一个令人感兴趣的问题，即地球演化史上的那些磁场衰减期，是否都能够与地球生物圈的主要动荡期对应起来呢？

宇宙射线击中地球大气后，产生了大量的次一级粒子（示意图）。

参考

Cosmic rays streamed through Earth’s atmosphere 41,000 years ago

https://www.eurekalert.org/news-releases/1041098

Long-term changes of the geomagnetic field: recent progress, challenges and applications

https://meetingorganizer.copernicus.org/EGU24/EGU24-10977.html