古籍里面找极光揭示西太平洋磁异常演化

　　地球宜居环境不是与生俱来的，也不是一成不变的。在地球系统46亿年演化进程中，正因为出现了偶极磁场，才改变了地球环境演化的进程，它与其他因素共同作用塑造了今天生机勃勃的宜居地球。
　　同样，地球磁场如果发生异常，也会对地球的生物圈造成巨大的冲击，乃至毁灭，例如磁场倒转时，地球系统就会失去地磁保护，进而可能造成生物大灭绝。
　　通常情况下，地球磁场是稳定的，但当地球内部结构和动力学发生变化时，地球表面就会出现磁场异常区。当前，全球地磁场最显著特征是南大西洋异常区（South Atlantic Anomaly，SAA），这是一个磁场强度显著低于偶极磁场的区域，即负地磁异常区，也是目前唯一的负地磁异常区，导致范艾伦辐射带的高能粒子穿透大气层更深。在这个区域内，沉降的高能粒子可以达到~100公里高度，在夜空中产生一种异于传统红色大气气辉的独特的红色赤道极光。
　　图1 地磁场来自于地球内部这台发电机
　　最近的地磁场重建模型揭示了很多关于SAA演化的细节，例如，研究可以将地表2800 km以下的液态铁核的运动与近地空间环境动力学联系起来。但我们一定会很好奇，地球历史上，是不是曾经有过其他类似SAA的低磁场区域？
　　时光如驹，不留痕迹。磁场也如此，它会将自己隐藏起来，隐藏于带有磁性的岩石里、陶瓷中，也可以隐藏于古代人类记录中。利用古代航海数据建立的全球地磁模型曾首次展示了16-18世纪期间，西太平洋地区存在明显的负地磁异常，即西太平洋地磁异常区（West Pacific Anomaly，WPA）。遗憾的是模型不可避免需要进行时间、空间上的平滑处理，短时间尺度上的变化信息，我们无法获知。
　　图2 地磁异常区SAA与WPA
　　幸运的是，中科院地质地球所的魏勇研究员团队，偶然间发现古朝鲜的大量的官方日记，竟然隐藏着地磁场的秘密，特别是在16-18世纪，古朝鲜持续、详细地记载了君王活动、国家事务、天气、天象等信息。在天象记录中，有一种被频繁记录的夜间大气发光现象——＂有气如火光＂，绝大部分位于朝鲜半岛南方，其肉眼可见性和动态变化性表明，＂有气如火光＂是赤道极光，由朝鲜半岛南方的负磁场异常引起的高能粒子沉降而产生。
　　图3 古朝鲜极光记录
　　古朝鲜记录用的是汉字，通过古籍中的大气异常现象，就可以获取WPA演化的线索。魏勇团队发现了这条线索后，兴奋不已。他们对古籍进行了系统的整理，共发掘出公元1012-1811年期间的2013条极光记录，并于2020年出版了专著《古代朝鲜极光年表》。随后，他们开展了赤道极光和地球发电机模拟的交叉研究工作，揭示出WPA百年时间尺度的震荡特征。
　　图4 朝鲜半岛观察赤道极光示意图
　　研究结果首次清晰地展示了赤道极光与WPA的联系，换句话说，地球的内部与空间具有协同演变的紧密联系，内部影响空间，而空间反映内部。这一发现对于理解当今SAA的演化和地磁场的整体变化具有重要的指示作用。过去几十年以来，SAA强度一直在持续减弱，范围在不断扩大，未来是否会发生下一次地磁倒转不得而知。这一研究为今后相关区域考古磁学工作提出了新方向，也为当今SAA区域研究提供了新思路。
　　图5 1000-1900年期间磁场和赤道极光演化
　　未来，我们应加强在我国南海、东南亚地区、孟加拉湾地区的考古磁学和古地磁研究，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。
　　古代是现代的钥匙，未来，我们还应该加强从古籍文献中发掘科学信息，为我们探知地球的过去打开一扇大门，也为我们预测地球的未来奠定可靠的基础。
　　相关研究成果发表在《美国国家科学院院刊》（Proc. Natl. Acad. Sci., 2021, 118, 20, e2026080118）。研究员何飞为论文第一作者，研究员魏勇和英国利兹大学Stefano Maffei为论文共同通讯作者。研究工作得到研究所重点部署项目、中国科学院战略性先导科技专项（A类）、中国科学院青年创新促进会和英国自然环境研究委员会的资助。