地磁倒轉與生物滅絕因果關系研究五十年

魏勇，萬衛星

中國科學院地質與地球物理研究所，中國科學院地球與行星物理重點實驗室，北京 100029

1 引言

地球內部的中心是地核，其半徑約為月球半徑的兩倍.地核發電機產生地磁場，將地球包裹于其中，對生物圈起到了重要的保護作用.根據最新的觀測研究結果，地核發電機的啟動時間早于34.5億年前（Tarduno et al.，2010），地球生命的出現時間可能早于37億年前（Ohtomo et al.，2014），也許甚至早于38億年前（Mojzsis et al.，1996）.因此，地磁場與生物圈的協同演化過程至少持續了30多億年.二者作為地球系統的一部分，被整個系統的演化所影響，同時也影響著整個系統.

地磁場對生物的影響可分為兩個途徑.一是對生物本身的影響.人們已在細菌、昆蟲、軟體動物、魚類、鳥類和人體中發現磁鐵礦顆粒，這種生物體內磁性礦物被認為是生物利用地磁場的“磁接收器”載體，許多候鳥、魚類和海龜等動物能夠利用地磁場定向導航，進行上千公里的長距離遷徙，趨磁細菌能夠在地磁場中定向和游移（潘永信等，2004；潘永信和朱日祥，2011）.二是對生物生存環境的影響.地磁場并非一直保持當前的形態，而是存在各種時間尺度的變化，地磁場倒轉是最受關注的一種.地磁倒轉持續時間在數千年（Clement，2004），其間地磁北極和地磁南極對調.古地磁學研究結果顯示，在一次地磁極性倒轉發生前地磁場強度首先減弱，在極性轉換期間顯著地減弱至10%～20%，在極性改變之后地磁場強度快速增強（Merrill and Mcfadden，1999）.地磁場的減弱導致了其對生物圈保護作用的減弱，高能粒子入侵和大氣氧逃逸都可以對生物圈造成損害.

地磁倒轉在顯生宙歷史上重復發生，其發生頻率呈現出復雜的統計特性（Cox et al.，1963；Mazaud et al.，1983；朱日祥等，1990；McFadden and Merrill，1997）.朱日祥等（1999）提出，地磁倒轉與多種地質事件有關，而這種相關性可以通過地球內部的動力學過程來理解.地磁倒轉與生物滅絕的因果關系假說于1963年首次提出（Uffen，1963），在20世紀60年代和70年代被廣泛研究，而后在80年代初期逐漸淡出.這種一次倒轉對應一次滅絕的“一對一”假說在解釋數百次地磁倒轉與5次大規模滅絕的對應關系的時候遭遇失敗.隨著地球與行星空間環境研究的發展，人們對于地磁場削弱大氣氧逃逸的理解越來越深刻.Wei等（2014）認識到地磁倒轉會導致氧逃逸增加，并且多次地磁倒轉所導致的大氣氧損失是可以積累的，從而提出了“多對一”假說.

五十年（1963—2014）過去，我們不僅沒有徹底理解地磁倒轉與生物滅絕的關系，反而更深刻地意識到這個問題遠比之前想象的要復雜.事實上，無論是地磁倒轉這一現象的本質，還是生物滅絕的原因，都是極為復雜的.《Science》雜志在2005年7月1日紀念創刊125周年時，列出了當今125個最重要的科學問題，其中兩個分別是“What causes reversals in Earth′s magnetic field？”和“What caused mass extinctions？”.盡管如此，人們在五十年中仍然取得了許多重大進展，其中一些對整個地球科學的發展都起到了重要推動作用.本文嘗試梳理出五十年中地磁倒轉與生物滅絕因果關系研究歷史的大致脈絡，盡量避免歷史文獻的簡單羅列，著重討論一些突破性的和轉折性的工作，并結合歷史背景評價其對學科發展的貢獻.

2 背景：地磁倒轉

地磁倒轉從發現到被普遍接受經歷了一個漫長的過程.早在17世紀，人們就已經注意到了強磁化的巖石對羅盤指針有明顯的影響.到18世紀中葉，一些學者發現某些巖石是沿著地磁場被磁化的，于是推測某些古代的巖石可以記錄下當時的地磁場信息.1906年4月21日，在法國物理學會的一次會議上，Brunhes報告了他的最新發現：法國中央高原的中新世時期的火山熔巖及其下方烘烤過的火山粘土都顯示當時磁場的方向與目前的磁場方向相反.這一結果在當年11月發表，他推測地磁場可能在過去發生過倒轉（Brunhes，1906）.地磁倒轉的概念正式提出.一百年后，Laj等（2002）利用最新技術重做Brunhes的研究，再次肯定了其結果的正確性.但是，這一地磁學歷史上里程碑式的發現在當時并未引起其他學者的重視.1910年，Brunhes在43歲時英年早逝，《Nature》雜志刊發的紀念短文（vol.83，no.2117，p.380，1910）僅稱贊了他在天氣預報方面的杰出貢獻，只字未提他在地磁倒轉研究上的創新.

瑞士冰川學家Mercanton得知地磁倒轉的概念后猜想：如果地磁場發生倒轉，那么它一定是全球性的現象，應該在全球各地都能觀測到.為了證實這個想法，他在1910—1932年間到北半球和南半球的許多地方研究火山熔巖，發表了一系列的研究結果，證實了磁場的反向是一個全球性的現象（例如Mercanton，1932）.日本科學家 Matuyama（1929）進一步證明了這個論點，他研究了從日本、韓國和中國東北地區36個地點所采集到的玄武巖樣本，發現所有反向磁化的巖石比上覆的正向磁化的巖石要老.至此，已經可以肯定地磁場的極性確實曾經與當前情況相反，但是當時尚無技術能確定極性倒轉發生的時間.其后的幾十年研究者們做出了很多努力，卻并未取得突破進展.直到1963年，Cox等（1963）利用精確的定年技術證實了極性倒轉的全球等時性，地磁倒轉這一概念才開始被人們廣為接受.也正是這一年，地磁倒轉與生物滅絕的因果關系假說被提出.

其后大量的研究使我們認識了地磁倒轉的一些大致特征.地磁倒轉現象幾乎是從地磁發電機啟動后就開始了.目前已知最早的倒轉發生在32億年前（Layeret al.，1996），而最近的倒轉發生在78萬年前.顯生宙期間的地磁倒轉紀錄比較豐富，已鑒別出800多次倒轉（Ogget al.，2008）.地磁倒轉之間的間隔從1萬年到4千萬年不等（Ogg et al.，2008）.Clement（2004）研究了樣品采集地點的緯度和地磁倒轉持續時間的關系，發現地磁倒轉所持續的時間從幾千年到28000年不等，平均約7000年，并且緯度越高，持續時間越長.值得一提的是，太陽也存在磁極倒轉，但與地磁倒轉非常不同.太陽磁場大約每隔11年倒轉一次，比較有規律，平均持續幾個月.地磁倒轉期間地磁場強度大幅度降低，可低至倒轉前磁場強度的10%（例如，Valet et al.，1999）.倒轉期間磁場形態經歷了長時間的爭論（朱日祥等，1993；Zhu等，1993）.從觀測數據上看，倒轉期間偶極場減弱，非偶極場相對較為顯著（Merrill and Mcfadden，1999；Amit et al.，2011），這一點也與模擬結果相符（Glatzmaier and Roberts，1995）.

3 初探因果關系：“一對一”假說的失敗

3.1 興起與熱潮

1963年，加拿大地球物理學家Robert James Uffen首次指出地核發電機會對生命的起源與演化造成影響（Uffen，1963）.他從1959年地球輻射帶的發現（Van Allen and Frank，1959）得到啟發，提出了大膽的猜想：在地磁倒轉時期，地球磁場減弱為零并持續幾千年，于是被捕獲在輻射帶中的高能粒子被“傾倒”于地面，造成生物滅絕.也就是說，一次地磁倒轉導致一次生物滅絕，我們稱之為“一對一”假說.循此思路，他繼續探討了整個地球歷史上由地核演化所引起的地磁場變化對生物圈的影響，尤其是：在地核形成之前，地磁場不可能存在，太陽高能粒子對地面的轟擊將阻止生命形成.五十年過去，從今天的知識水平來看，這篇開創性的論文不僅缺乏觀測數據支持，還摻雜著一些常識性錯誤，比如地磁倒轉時期磁場并不為零、磁層若消失輻射帶也將不復存在等等.但是放在歷史背景中來看，這篇論文至少有兩個可鑒之處：一是首次討論了地磁倒轉與生物滅絕的因果關系，二是將地核到磁層之間的各圈層當作一個整體系統來理解.在其后的幾十年里，人們將這樣一個大的問題逐漸細化，關注各種局部細節，一直到近些年才又重新回歸到地球系統科學的思路上來.在此之后的60年代后期和整個70年代，地磁倒轉與生物滅絕的研究保持了十幾年的熱潮.

圍繞高能粒子入侵為主的地磁倒轉對生物圈的短期、直接的傷害效應，支持派持續尋找證據和發展理論，反對派則不斷否定.Sagan（1965）對 Uffen（1963）的猜想提出反對意見，他認為即使地磁場消失，大氣層會充當新的屏障，阻止高能粒子對生物圈的入侵.Simpson（1966）首次展示了地磁倒轉次數和生物滅絕次數的粗略相關性，雖然是僅憑視覺進行的定性分析，但也標志著該項研究從猜想討論進入數據分析階段.Black（1967）在分析了三篇重要論文 （Harrison and Funnell，1964；Opdyke et al.，1966；Watkins and Goodell，1967）所展示的數據之后，認為只有一組數據能說明因果關系的存在.他因此推測：如果因果關系不存在，那么地磁倒轉和生物滅絕應該都是另一件事情的結果，也就是說，另有原因同時造成了地磁倒轉和生物滅絕.Harrison（1968）在計算了地磁倒轉期間宇宙射線在地表的增加量之后認為，高能粒子不可能直接造成生物滅絕，滅絕的原因很可能是高能粒子通過改變氣候而造成的.由于McElhinny（1971）發表了顯生宙期間的地磁倒轉率指數，Crain（1971）便將其與Simpson（1966）的化石數據做對比，發現兩組數據相關系數達到0.912.他相信地磁倒轉與生物滅絕的因果關系確實存在，但是也否定了高能粒子的作用，因為高能粒子入侵并不能解釋海洋生物滅絕.他傾向于認為，磁場減弱本身是有害于生物生存的，所以導致滅絕的正是磁場本身，而非其他效應.Hays（1971）分析了8種放射蟲的滅絕情況，發現它們的分布是在滅絕前開始變得不穩定，隨后從高緯地區到低緯地區同時發生滅絕，其中6種的滅絕時間與地磁倒轉相對應.他認為這個結果證明了地磁倒轉能夠直接或間接地導致生物滅絕.但是Plotnick（1980）重新分析了Hays的數據后認為這些數據并不能支持Hays的結論，他分析了更多新數據后得出了一個非常低的相關系數，因此認為因果關系并不存在.在70年代后期，直接短期效應的研究漸顯頹勢，越來越多的研究者開始放棄這一思路.

另一方面，一些研究者開始探討地磁倒轉對生物圈的長期、間接的傷害效應.Roberts和Olson（1973）在研究地磁活動與氣象變化的聯系時指出，伴隨極光的X射線輻射或許可以導致對流層形成卷云.King（1974）指出極光韌致輻射通常不能穿透至對流層，而太陽高能質子和伽馬射線則可以到達對流層.由于地磁場可以屏蔽外來高能粒子，他認為地磁場的長期變化（比如地磁場西漂）可以導致氣候改變.Crutzen等（1975）進一步指出，能量段在1GeV的太陽高能質子轟擊大氣能夠分解和離解氮分子，氮原子與氧原子結合產生大量的一氧化氮，進而對臭氧層產生顯著的破壞.在這些研究的基礎上，Reid等（1976）提出，地磁倒轉期間，高能粒子入侵所導致的臭氧層破壞有可能是生物滅絕的原因.

以上所介紹的工作，可以歸納為一種思路：地磁倒轉期間地磁場減弱，外來高能粒子直接或間接地對生物圈造成損害.但是，另有極少一部分學者，秉持不同的思路：大氣逃逸.正如1959年輻射帶的發現促生1963年的地磁倒轉與生物滅絕因果關系假說的提出一樣，1967年“水手5號（Mariner V）”對金星的探測結果啟發了McCormac and Evans（1969）提出新觀點：地磁倒轉期間磁場減小為零，此時的地球便和金星類似，可能電離層在100km以上所產生的離子都會被太陽風剝蝕掉，并且，太陽風還可能對中性成分產生更為顯著的剝蝕，甚至造成大氣層的損失.用今天的知識來看，這篇論文也大致是錯誤的.首先，其理論依據在于水手5號沒有觀測到由二氧化碳和水分子產生的金星的氧冕（oxygen corona），因此他們推測不僅金星沒有氧冕，火星也應該沒有氧冕，是因為缺乏磁場保護而被太陽風剝蝕掉了，繼而推測地磁倒轉時期的地球也會遭受類似的太陽風剝蝕而導致大氣損失.后來的探測證實火星有很明顯的氧冕，金星的氧冕尚存爭議：前蘇聯的“金星11號（Venera 11）”和美國的“先鋒金星號（Pioneer Venus Orbiter）”探測到了，但歐洲的“金星快車（Venus Express）”一直未探測到（Lichtenegger et al.，2009）.其次，行星大氣的多寡并非僅由行星磁場和太陽風決定，還涉及到與水有關的許多地球化學過程.比如，金星的發電機雖然在幾十億年前停止，其表面大氣壓約為地球的93倍.這也就不難理解為何這篇論文沒有引起學界的興趣，以至于很快淹沒在汗牛充棟的文獻堆里.盡管如此，這個工作仍有其偉大之處：它沒有落入“有害物質入侵”的思維窠臼，而是另辟蹊徑，開拓出“有益物質逃逸”的新方向.

3.2 衰退與反思

從20世紀70年代后期開始，地磁倒轉與生物滅絕因果關系研究的論文數量逐漸減少.從發表的論文上看，主要表現為新的證據越來越少，其思想也無法跳出“有害物質入侵”的直接和間接效應.實質原因是“一對一”假說無法解釋越來越多的新數據.顯生宙有數百次地磁倒轉，滅絕率卻呈現5個峰值，即5次大滅絕（Raup和Sepkoski，1982）；人類在數百萬年的演化過程中經歷過至少十數次地磁倒轉，卻并未滅絕.如果一次倒轉對應一次生物滅絕，那么這些新數據都無法解釋；如果認為地磁倒轉對生物圈的傷害是有物種選擇性的，卻又無法給出任何的選擇機制.真正的轉折發生在1980年.Alvarez父子領導的研究團隊在《Science》上發表了長達14頁的論文，以地層中的銥元素為證據提出小行星撞擊導致了白堊紀末期的大滅絕（Alvarez et al.，1980）.翔實的證據、新穎的思路、恐龍滅絕的悲劇色彩、甚至作者此前的諾貝爾獎光環，都引起了學界的研究熱潮和公眾的街談巷議.從學術論文、科普著作、科幻作品直到好萊塢電影，無不迅速聚焦于此.在80年代前期，地磁倒轉與生物滅絕因果關系研究的論文也在文獻中逐漸走向“滅絕”.

一些學者嘗試從周期性變化的角度來討論，同時思路也從單一滅絕誘因向復合滅絕誘因過渡.事實上，如前文所述，Black（1967）已經做出了這樣的思路轉變，但無證據支持.Raup和Sepkoski（1984）分析了過去2.5億年的海洋生物化石后得出生物滅絕的間隔為2600萬年.Rampino和Stothers（1984）分析了整個顯生宙（5.5億年）的化石數據后得出生物滅絕周期為3300±300萬年.如果地磁倒轉與生物滅絕之間的確存在因果關系，那么地磁倒轉應該也存在類似的周期性.Raup（1985）分析了過去1.65億年的地磁倒轉數據，宣稱存在3000萬年的周期性.但是他并未因此而明確支持因果關系存在，而是比較委婉地提出生物滅絕與地磁倒轉和小行星撞擊都可能存在聯系.Lutz（1985）對Raup（1985）的數學分析方法提出質疑，認為所謂的周期性并不存在.面對地磁倒轉猜想與小行星撞擊猜想的競爭關系，Muller和 Morris（1986）繼承了 Glass和 Heezen（1967）的猜想，提出了一個模型論述小行星撞擊導致地磁倒轉的可能性（后來也被學術界否定（Kerr，1990））.于是，地磁倒轉被看作是與生物滅絕并列的一個小行星撞擊的結果，人們通過溯源和重新定義問題的方式宣布了“一對一”假說的20多年研究歷史的落幕.之后，有關地磁倒轉與生物滅絕因果關系的論文在其主要的爭鳴場所——《Nature》和《Science》等刊物上幾乎絕跡.

綜觀這20多年的研究歷程，再對比當今的學術研究狀況，地磁倒轉與生物滅絕因果關系研究大致可以概括出三個方面的特征.一是研究人員獨立工作多于合作.沒有電子化期刊、互聯網搜索和便捷的交通，研究人員的活動范圍較為封閉，只能根據所能接觸到的極為有限的信息來進行研究，個人的思辨活動在整個研究中所占比例非常大，論文署名也多為單一作者.二是數據稀少且不均勻.一個原因是樣本越古老，越不容易保存下來并被研究者發現；另一個原因是已有樣本大多來自于某些特定地理區域和地層（Marshall，2010）.這樣的數據庫在不同等級的生物分類（一般討論科、屬和種）都呈現出不均勻性，在時間上有非常顯著的不連續性.這會給相關性和周期性的估計工作引入非常大的誤差和不確定性.三是猜想多于實證.由于前兩方面的原因，大部分工作可以歸為科學猜想或假說，作者較多地在論文中表達自己對問題的理解，較少地展示詳實的證據或者縝密的邏輯推理.

縱觀這20多年的研究歷程，對比自然科學發展的典型特征，地磁倒轉與生物滅絕因果關系研究也可以分三個方面來總結.一是典型的“瞎子摸象”的過程.古磁場和化石數據的更新引發新解釋和新猜想的出現，但是始終遠未接近事實的全貌.二是地球科學研究概念更新的過程.人們逐漸接受地球是一個多圈層耦合的體系，發生于地球深部的地核過程可以控制地表環境的變化；傳統物理學和化學形成分析基礎，新建立的空間物理學和行星物理學等分支學科交叉介入，使得人們把地球當作一個整體來看待其演化，甚至把地球當作一個行星來看待.三是規劃“大型研究”之前的論證過程.人們需要利用已有知識，發揮想象力，充分討論各種可能性，以待將來條件成熟時，供后人借鑒、參考、評論和批駁.

4 再探因果關系：“多對一”假說的嘗試

在“一對一”假說衰退后的三十年里，地磁倒轉的研究提供了許多新的知識，讓我們對極性倒轉期間的地磁場的強度和形態都有了較為全面的認識（Amit et al.，2011）.在觀測上，已經能夠利用大量古磁場數據反演出上一次地磁倒轉整個過程的磁場變化（Leonhardt and Fabian，2007）；在模擬上，已經能夠利用超級計算機來模擬整個地磁倒轉過程（Glatzmaier and Roberts，1995）.同一時期，生物滅絕的研究也有了許多新的突破（戎嘉余和黃冰，2014），尤其是對于顯生宙化石數據庫的校正結果，展示出了生物演化的一些以前未發現的趨勢特征（Alroy，2010；Marshall，2010）.

空間環境方面的研究進展使人們更加深刻地理解地球磁層與電離層中發生的各種物理過程，及其對生物圈環境演化的重要意義.由于磁層的存在，太陽風不能直接接觸電離層和中性大氣，但是仍能通過多種間接的方式來向電離層和大氣輸入粒子、場和能量.太陽風中的氫離子可以通過極隙區大量進入磁層（Shi et al.，2013）；太陽風中的磁場和粒子也可隨著向陽面磁層頂的重聯過程進入磁層（例如，Zhong et al.，2013；Rong et al.，2013；魏 勇 等，2006）；太陽風中的電場也可經由磁層和高緯電離層穿透到赤道電離層中去，并引起多種電磁場擾動現象（例 如，Wei et al.，2008a；2008b；2009；2010；2011a；2011b；2011c；2012a；2013；Zong et al.，2010；Guo et al.，2011；Zhao et al.，2012）；太陽風能量進入磁層后的存儲與釋放過程的復雜性也被廣泛研究（例如，Yao et al.，2012；2013a；2013b）.盡管太陽風能通過各種間接方式穿過地球磁層進入電離層和大氣層，但是磁層對生物圈仍然有著非常重要的保護作用，尤其是在削弱電離層離子逃逸方面.而正是這一點，啟發了“多對一”假說的提出（Wei et al.，2014）.

電離層中的離子來源于大氣的電離，所以離子的逃逸直接造成大氣的逃逸.電離層頂部主要成分是氧離子和氫離子，兩種離子都能發生逃逸.太陽風的主要成分為氫離子（占95%左右），可以向磁層補充氫離子（Shi et al.，2013），而氧離子的逃逸是無法補償的.地磁場對離子逃逸的削弱通過兩個途徑實現（圖1a）.一個是阻止太陽風直接接觸電離層，削弱能量傳輸效率和傳輸總量；另一個是通過磁層等離子體對流（Dungey cycle）來把已經上行至磁層的離子（例如，Li et al.，2012；2013）重新送回電離層，從衛星數據估算大約90%的上行離子都被送回（Seki et al.，2001）.地磁場對大氣的保護作用已經通過比較行星學的方法對地球和火星進行觀測對比證實（Wei et al.，2012b）.驅動離子逃逸的最終能量來源是太陽風，太陽風動壓越大，所導致的逃逸率就越大，這一規律無論是在有內稟磁場保護的地球（Moore and Horwitz，2007）還是無內稟磁場保護的金星（Wei et al.，2012c）和火星（Lundin et al.，2007）都成立.

圖1 （a）當前磁層氧離子逃逸和回歸示意圖.磁層對流（Dungey Cycle）在遠磁尾中性線（DNL，距離地球125個地球半徑）發生轉向，靠近地球的一側朝向地球對流.如紅色箭頭所示，氧離子從極隙區和極光帶上行，大部分會隨磁層對流重新回到電離層.（b）地磁倒轉時期可能的多極子磁層氧離子逃逸示意圖.太陽風可更加接近電離層，氧逃逸的情況與當前火星非常類似（修改自 Wei et al.，2014）Fig.1 （a）Ion escape and return in the present Earth′s magnetosphere：present Earth′s magnetosphere has a Dungey cycle up to 125 REtail ward，which can return most of outflowing O＋.DNL：distant neutral line.（b）Mars－like ion escape in a quadrupole－dominated magnetosphere for reversing field.This is the view from duskside with two neutral points on the dusk－dawn line.The red region illustrates the O＋ dominated ionosphere，and the four color belts on the Earth denote possible auroral zones.BS：bow shock.AW：auroral wind.MP：magnetopause.MT：momentum transfer（Modified from Wei et al.，2014）

圖2 顯生宙地磁倒轉率（a）、大氣氧含量（b）與生物屬級數量（c）變化的相關性（修改自Wei et al.，2014，圖中數據來源詳見該文獻）Fig.2 Temporal evolution of reversal rate（a），O2level（b）and marine diversity（c）over the Phanerozoic era（The original data interpretation is referred to Wei et al.，2014and the references therein）

在地磁倒轉的時候，地磁場對離子逃逸的兩個削弱作用都遭到破壞：地磁強度減弱，使得太陽風更加接近電離層，能量傳輸也更為直接；地磁場從偶極位形變為多極子位形，磁層等離子體對流幾乎消失，地磁場無法將已經上行的離子送回電離層.此時的太陽風與電離層離子的相互作用更加接近火星的情形（圖1b）.Wei等（2014）采用了火星氧逃逸率的估算模型對地磁倒轉時期的地球進行了估算，發現氧離子的逃逸率可以增加3～4個量級.由于氧逃逸是不可逆的，并且逃逸所造成的地球氧損失是可以積累的，如果每次地磁倒轉期間都有如此大的逃逸率，那么地磁倒轉率與大氣氧含量變化的相關性（圖2）就可以用氧逃逸來理解.而大氣氧含量的降低又是與生物滅絕相聯系（Huey and Ward，2005），于是地磁倒轉與生物滅絕的因果關系便可通過氧逃逸做中間環節來理解.

至目前，所有提出的地磁倒轉對生物圈的破壞效應中，只有氧逃逸是可以在多次地磁倒轉之間進行積累的.據此，Wei等（2014）繼承了 McCormac和Evans（1969）提出的大氣逃逸思路，提出了“多對一”假說：在長達數百萬年的時間里，地磁倒轉頻率升高，地磁場對氧粒子的保護作用頻繁減弱，氧粒子逃逸率頻繁增加，導致大氣氧含量持續下降，并最終降至誘發生物滅絕的閾值.

5 討論與展望

地磁倒轉的研究已過百年，倒轉的原因仍不清楚；地磁倒轉與生物滅絕因果關系的研究已五十年，問題也仍然沒有解決.歷史文獻記錄了人們所提出的各種因果假說，如果以化石證據做檢驗，沒有任何一個能解釋所有觀測到的細節.正如Dietz和Holden（1973）所言：“hypotheses，like cats，have nine lives”，人們很難證實其正確性，也很難否定其重要性.現在已經比較清晰的是，生物滅絕是一個長期的環境持續惡化的結果，地磁倒轉是一個重要的誘因，但絕不是唯一的誘因.在生物滅絕的各個階段，分別是哪些因素的作用更重要，是較難解決的一個核心的問題.我們更應該看到，地磁倒轉的誘因是地核狀態的變化，生物圈的演化很大程度上受到地核的影響，這一點也正是Uffen在1963年最初的理解（Uffen，1963）.

我們應當從地球系統科學的角度來理解地磁倒轉與生物滅絕的因果關系.地核產生的磁場經由近三千公里厚的地幔和地殼到達地面，穿過生物圈、大氣層和電離層后延展至太空形成磁層.所有地磁場所覆蓋到的區域應當被視為一個整體，其間所發生的物理過程既受地核的影響，也可能反過來影響地核中的物理過程.對于水星的模擬研究表明，在千年或者更長的時間尺度上，磁層頂電流是可以影響到水星的發電機過程的（Heyner et al.，2011）.地球目前的磁層頂在10個地球半徑以外，因此這一效應并不明顯.但當地磁倒轉的時候，磁層頂大幅度下降，太陽風與磁層的相互作用有可能影響地核發電機過程.生物圈也位于地磁場覆蓋的區域中，屬于整個地球系統的一部分，因此，生物演化和生物圈環境演化應當視為整個地球系統演化的一個方面.

我們也應當從比較行星學的角度來理解地磁倒轉與生物滅絕的因果關系.相對于人類壽命而言，地磁場變化非常緩慢，我們難以研究地磁倒轉時期的空間環境.金星幾乎沒有任何內稟磁場，火星沒有內稟磁場，但是具有很強的巖石剩磁.相對于目前的地球而言，火星與金星目前的空間環境更接近地磁倒轉時期的地球空間環境，而在火星上也發現了其古磁場倒轉的證據（Arkani－Hamed，2001）.在研究地磁倒轉時期的空間環境時，太陽輻射和太陽風對金星和火星的空間環境的影響能夠給我們提供許多有用的信息，用以約束數值模擬研究和促進理論研究.從比較行星學的角度出發，能夠用更多的實測數據來檢驗諸多的猜想.

近期地磁倒轉與生物滅絕因果關系研究的突破可能來自兩個途徑.一是確定地磁倒轉期間磁場強度與形態的更多細節.地磁倒轉期間磁場形態較為復雜，直接使用巖石磁記錄來反演磁場形態比較困難，因為要求有足量的樣品和均勻的采樣點地理分布.一個可作為補充的間接的方法是研究10Be同位素的分布.10Be同位素由高能宇宙射線轟擊大氣中的碳和氮等重原子所產生，而宇宙射線的通量及運動軌跡則受到地磁場強度和形態的調制，因此可用于研究倒轉期間的磁場形態（Valet et al.，2014；Webber and Higbie，2003；Webber et al.，2007）.另外，地磁發電機模擬的進展可以展示倒轉期間磁場形態的細節，更重要的是，有望找出地磁倒轉的原因.二是針對新發現的證據提出更多的支持或反對該因果關系的猜想.例如，Courtillot和Olson（2007）提出，地幔柱活動可能是導致環境變化和生物滅絕的原因，而地磁倒轉也是伴隨地幔柱活動出現的一種現象.

地磁倒轉與生物滅絕的因果關系確是地球科學中的一個非常困難的重大問題.正確的理解也許要等到地球系統科學發展完善以后，但我們認為更可能出現的情況則是，對于這個問題的研究促進了地球系統科學的發展.在不知道這個問題到底有多難的情況下，人們已經研究了五十年，獲得了對地球系統演化的豐富認識，而且還將持續研究.正如Verhoogen（1977）回顧地磁倒轉的早期研究過程的時候所感慨：“Ignorance，it would seem can sometimes be a blessing.”.

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