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地球外核中的液態(tài)鐵在我們腳下大約1800英里處旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了我們星球的保護性磁場，稱為磁層。雖然這個磁場是看不見的，但它對地球表面的生命至關(guān)重要。這是因為磁層為地球擋住了來自太陽的輻射流。

然而，大約5.65億年前，磁場的強度下降到今天的10%。然后，神秘的是，磁場反彈了，就在地球上多細(xì)胞生命的寒武紀(jì)大爆發(fā)之前恢復(fù)了它的強度。

是什么導(dǎo)致了磁層的反彈?

根據(jù)羅切斯特大學(xué)科學(xué)家們的一項新研究，這種反彈發(fā)生在幾千萬年內(nèi)。這在地質(zhì)學(xué)的時間尺度上是非常迅速的，并且與地球堅固的內(nèi)核的形成相吻合，這表明內(nèi)核很可能是一個直接原因。

地球和環(huán)境科學(xué)系地球物理學(xué)教授、羅切斯特大學(xué)藝術(shù)、科學(xué)和工程研究院長William R. Kenan, Jr.說：“內(nèi)核是非常重要的。就在內(nèi)核開始出現(xiàn)之前，磁場處于崩潰的狀態(tài)，但是內(nèi)核一開始形成，磁場就再生了。”

在2022年7月19日發(fā)表在《自然通訊》雜志上的這篇論文中，科學(xué)家們確定了內(nèi)核歷史上的幾個關(guān)鍵日期，包括對其年齡的更精確估計。這項研究為地球的歷史和未來演變以及它如何成為一個宜居行星，以及太陽系中其他行星的演變提供了新的線索。

解開古代巖石中的信息

地球由幾層組成：存在生命的地殼;地幔，地球最厚的一層;熔化的外核;以及堅固的內(nèi)核。地球的磁場是在其外核產(chǎn)生的。那里的液態(tài)鐵旋轉(zhuǎn)引起電流，驅(qū)動一種叫做“地球發(fā)電機”的現(xiàn)象，產(chǎn)生磁場。

由于磁場與地核的關(guān)系，幾十年來，科學(xué)家們一直試圖確定地球的磁場和核心在我們星球的歷史上是如何變化的。由于地核中材料的位置和極端溫度，他們無法直接測量磁場。幸運的是，上升到地球表面的礦物含有微小的磁性粒子，在礦物從熔融狀態(tài)冷卻和凝固的時候，這些粒子鎖定了磁場的方向和強度。

為了更好地約束內(nèi)核的年齡和生長，Tarduno和他的團隊使用二氧化碳激光器和實驗室的超導(dǎo)量子干涉裝置(SQUID)磁力計來分析來自巖石正長巖的長石晶體。這些晶體內(nèi)有微小的磁針，是"完美的磁記錄器"，Tarduno說。

通過研究鎖定在古代晶體中的磁性--一個被稱為古地磁學(xué)的領(lǐng)域，研究人員確定了內(nèi)核歷史中兩個新的重要日期：

5.5億年前：這是磁場在1500萬年前幾乎崩潰后開始迅速更新的時間。研究人員將磁場的快速更新歸功于固體內(nèi)核的形成，它為熔化的外核“充電”并恢復(fù)了磁場的強度。

4.5億年前：成長中的內(nèi)核結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的時間，標(biāo)志著最內(nèi)層和最外層內(nèi)核之間的邊界。內(nèi)核的這些變化與上覆地幔的結(jié)構(gòu)在同一時間的變化相吻合，這是由于地表的板塊構(gòu)造造成的。

“由于我們更準(zhǔn)確地約束了內(nèi)核的年齡，我們可以探索這樣一個事實：今天的內(nèi)核實際上是由兩部分組成的，”Tarduno說。“地球表面的板塊構(gòu)造運動間接地影響了內(nèi)核，而這些運動的歷史則印在地球內(nèi)部深處的內(nèi)核結(jié)構(gòu)中。”

研究人員認(rèn)為，例如，火星曾經(jīng)有一個磁場，但是這個磁場消散了。這使得這個星球容易受到太陽風(fēng)的影響，表面沒有海洋。雖然目前還不清楚沒有磁場是否會導(dǎo)致地球遭遇同樣的命運，但“如果地球的磁場沒有再生，地球肯定會失去更多的水，”Tarduno說。“地球?qū)⒆兊酶痈稍铮c今天的地球大不相同。”

他說，就行星演化而言，這項研究強調(diào)了磁屏蔽和維持磁屏蔽機制的重要性。“這項研究真正強調(diào)了需要有一個類似于不斷增長的內(nèi)核的東西，在一個星球的整個生命期--幾十億年內(nèi)維持一個磁場。”

更好地了解內(nèi)核和磁場的動態(tài)和增長具有重要的意義，不僅可以揭開地球的過去和預(yù)測它的未來，而且可以解開其他行星可能形成磁屏蔽和維持孕育生命的必要條件的途徑。