2014, Vol. 57
地球内部的中心是地核，其半径约为月球半径的两倍.地核发电机产生地磁场，将地球包裹于其中，对生物圈起到了重要的保护作用.根据最新的观测研究结果，地核发电机的启动时间早于34.5亿年前(Tarduno et al., 2010)，地球生命的出现时间可能早于37亿年前(Ohtomo et al., 2014)，也许甚至早于38亿年前(Mojzsis et al., 1996).因此，地磁场与生物圈的协同演化过程至少持续了30多亿年.二者作为地球系统的一部分，被整个系统的演化所影响，同时也影响着整个系统.
地磁场对生物的影响可分为两个途径.一是对生物本身的影响.人们已在细菌、昆虫、软体动物、鱼类、鸟类和人体中发现磁铁矿颗粒，这种生物体内磁性矿物被认为是生物利用地磁场的“磁接收器”载体，许多候鸟、鱼类和海龟等动物能够利用地磁场定向导航，进行上千公里的长距离迁徙，趋磁细菌能够在地磁场中定向和游移(潘永信等，2004；潘永信和朱日祥，2011).二是对生物生存环境的影响.地磁场并非一直保持当前的形态，而是存在各种时间尺度的变化，地磁场倒转是最受关注的一种.地磁倒转持续时间在数千年(Clement，2004)，其间地磁北极和地磁南极对调.古地磁学研究结果显示，在一次地磁极性倒转发生前地磁场强度首先减弱，在极性转换期间显著地减弱至10%~20%，在极性改变之后地磁场强度快速增强(Merrill and Mcfadden， 1999).地磁场的减弱导致了其对生物圈保护作用的减弱，高能粒子入侵和大气氧逃逸都可以对生物圈造成损害.
地磁倒转在显生宙历史上重复发生，其发生频 率呈现出复杂的统计特性(Cox et al., 1963；Mazaud et al., 1983；朱日祥等，1990；McFadden and Merrill， 1997). 朱日祥等(1999)提出，地磁倒转与多种地质事件有关，而这种相关性可以通过地球内部的动力学过程来理解.地磁倒转与生物灭绝的因果关系假说于1963年首次提出(Uffen，1963)，在20世纪60年代和70年代被广泛研究，而后在80年代初期逐渐淡出.这种一次倒转对应一次灭绝的“一对一”假说在解释数百次地磁倒转与5次大规模灭绝的对应关系的时候遭遇失败.随着地球与行星空间环境研究的发展，人们对于地磁场削弱大气氧逃逸的理解越来越深刻.Wei等(2014)认识到地磁倒转会导致氧逃逸增加，并且多次地磁倒转所导致的大气氧损失是可以积累的，从而提出了“多对一”假说.
五十年(1963—2014)过去，我们不仅没有彻底理解地磁倒转与生物灭绝的关系，反而更深刻地意识到这个问题远比之前想象的要复杂.事实上，无论是地磁倒转这一现象的本质，还是生物灭绝的原因，都是极为复杂的.《Science》杂志在2005年7月1日纪念创刊125周年时，列出了当今125个最重要的科学问题，其中两个分别是“What causes reversals in Earth′s magnetic field?”和“What caused mass extinctions?”.尽管如此，人们在五十年中仍然取得了许多重大进展，其中一些对整个地球科学的发展都起到了重要推动作用.本文尝试梳理出五十年中地磁倒转与生物灭绝因果关系研究历史的大致脉络，尽量避免历史文献的简单罗列，着重讨论一些突破性的和转折性的工作，并结合历史背景评价其对学科发展的贡献.2 背景：地磁倒转
地磁倒转从发现到被普遍接受经历了一个漫长的过程.早在17世纪，人们就已经注意到了强磁化的岩石对罗盘指针有明显的影响.到18世纪中叶，一些学者发现某些岩石是沿着地磁场被磁化的，于是推测某些古代的岩石可以记录下当时的地磁场信息.1906年4月21日，在法国物理学会的一次会议上，Brunhes报告了他的最新发现：法国中央高原的中新世时期的火山熔岩及其下方烘烤过的火山粘土都显示当时磁场的方向与目前的磁场方向相反.这一结果在当年11月发表，他推测地磁场可能在过去发生过倒转(Brunhes，1906).地磁倒转的概念正式提出.一百年后，Laj等(2002)利用最新技术重做Brunhes的研究，再次肯定了其结果的正确性.但是，这一地磁学历史上里程碑式的发现在当时并未引起其他学者的重视.1910年，Brunhes在43岁时英年早逝，《Nature》杂志刊发的纪念短文(vol. 83，no.2117，p. 380，1910)仅称赞了他在天气预报方 面的杰出贡献，只字未提他在地磁倒转研究上的创新.
瑞士冰川学家Mercanton得知地磁倒转的概念后猜想：如果地磁场发生倒转，那么它一定是全球性的现象，应该在全球各地都能观测到.为了证实这个想法，他在1910—1932年间到北半球和南半球的许多地方研究火山熔岩，发表了一系列的研究结果，证实了磁场的反向是一个全球性的现象(例如Mercanton，1932).日本科学家Matuyama(1929)进一步证明了这个论点，他研究了从日本、韩国和中国东北地区36个地点所采集到的玄武岩样本，发现所有反向磁化的岩石比上覆的正向磁化的岩石要老.至此，已经可以肯定地磁场的极性确实曾经与当前情况相反，但是当时尚无技术能确定极性倒转发生的时间.其后的几十年研究者们做出了很多努力，却并未取得突破进展.直到1963年，Cox等(1963)利用精确的定年技术证实了极性倒转的全球等时性，地磁倒转这一概念才开始被人们广为接受.也正是这一年，地磁倒转与生物灭绝的因果关系假说被提出.
其后大量的研究使我们认识了地磁倒转的一些大致特征.地磁倒转现象几乎是从地磁发电机启动后就开始了.目前已知最早的倒转发生在32亿年前(Layer et al., 1996)，而最近的倒转发生在78万年前.显生宙期间的地磁倒转纪录比较丰富，已鉴别出800多次倒转(Ogg et al., 2008).地磁倒转之间的间隔从1万年到4千万年不等(Ogg et al., 2008).Clement(2004)研究了样品采集地点的纬度和地磁倒转持续时间的关系，发现地磁倒转所持续的时间从几千年到28000年不等，平均约7000年，并且纬度越高，持续时间越长.值得一提的是，太阳也存在磁极倒转，但与地磁倒转非常不同.太阳磁场大约每隔11年倒转一次，比较有规律，平均持续几个月.地磁倒转期间地磁场强度大幅度降低，可低至倒转前磁场强度的10%(例如，Valet et al., 1999).倒转期间磁场形态经历了长时间的争论(朱日祥等，1993；Zhu等，1993).从观测数据上看，倒转期间偶极场减弱，非偶极场相对较为显著(Merrill and Mcfadden， 1999；Amit et al., 2011)，这一点也与模拟结果相符(Glatzmaier and Roberts， 1995). 3 初探因果关系：“一对一”假说的失败 3.1 兴起与热潮
1963年，加拿大地球物理学家Robert James Uffen首次指出地核发电机会对生命的起源与演化造成影响(Uffen，1963).他从1959年地球辐射带的发现( VanAllen and Frank， 1959)得到启发，提出了大胆的猜想：在地磁倒转时期，地球磁场减弱为零并持续几千年，于是被捕获在辐射带中的高能粒子被“倾倒”于地面，造成生物灭绝.也就是说，一次地磁倒转导致一次生物灭绝，我们称之为“一对一”假说.循此思路，他继续探讨了整个地球历史上由地核演化所引起的地磁场变化对生物圈的影响，尤其是：在地核形成之前，地磁场不可能存在，太阳高能粒子对地面的轰击将阻止生命形成.五十年过去，从今天的知识水平来看，这篇开创性的论文不仅缺乏观测数据支持，还掺杂着一些常识性错误，比如地磁倒转时期磁场并不为零、磁层若消失辐射带也将不复存在等等.但是放在历史背景中来看，这篇论文至少有两个可鉴之处：一是首次讨论了地磁倒转与生物灭绝的因果关系，二是将地核到磁层之间的各圈层当作一个整体系统来理解.在其后的几十年里，人们将这样一个大的问题逐渐细化，关注各种局部细节，一直到近些年才又重新回归到地球系统科学的思路上来.在此之后的60年代后期和整个70年代，地磁倒转与生物灭绝的研究保持了十几年的热潮.
围绕高能粒子入侵为主的地磁倒转对生物圈的短期、直接的伤害效应，支持派持续寻找证据和发展理论，反对派则不断否定.Sagan(1965)对Uffen(1963)的猜想提出反对意见，他认为即使地磁场消失，大气层会充当新的屏障，阻止高能粒子对生物圈的入侵.Simpson(1966)首次展示了地磁倒转次数和生物灭绝次数的粗略相关性，虽然是仅凭视觉进行的定性分析，但也标志着该项研究从猜想讨论进入数据分析阶段.Black(1967)在分析了三篇重要论文(Harrison and Funnell， 1964；Opdyke et al., 1966；Watkins and Goodell， 1967)所展示的数据之后，认为只有一组数据能说明因果关系的存在.他因此推测：如果因果关系不存在，那么地磁倒转和生物灭绝应该都是另一件事情的结果，也就是说，另有原因同时造成了地磁倒转和生物灭绝.Harrison(1968)在计算了地磁倒转期间宇宙射线在地表的增加量之后认为，高能粒子不可能直接造成生物灭绝，灭绝的原因很可能是高能粒子通过改变气候而造成的.由于McElhinny(1971)发表了显生宙期间的地磁倒转率指数，Crain(1971)便将其与Simpson(1966)的化石数据做对比，发现两组数据相关系数达到0.912.他相信地磁倒转与生物灭绝的因果关系确实存在，但是也否定了高能粒子的作用，因为高能粒子入侵并不能解释海洋生物灭绝.他倾向于认为，磁场减弱本身是有害于生物生存的，所以导致灭绝的正是磁场本身，而非其他效应.Hays(1971)分析了8种放射虫的灭绝情况，发现它们的分布是在灭绝前开始变得不稳定，随后从高纬地区到低纬地区同时发生灭绝，其中6种的灭绝时间与地磁倒转相对应.他认为这个结果证明了地磁倒转能够直接或间接地导致生物灭绝.但是Plotnick(1980)重新分析了Hays的数据后认为这些数据并不能支持Hays的结论，他分析了更多新数据后得出了一个非常低的相关系数，因此认为因果关系并不存在.在70年代后期，直接短期效应的研究渐显颓势，越来越多的研究者开始放弃这一思路.
另一方面，一些研究者开始探讨地磁倒转对生物圈的长期、间接的伤害效应.Roberts和Olson(1973)在研究地磁活动与气象变化的联系时指出，伴随极光的X射线辐射或许可以导致对流层形成卷云.King(1974)指出极光韧致辐射通常不能穿透至对流层，而太阳高能质子和伽马射线则可以到达对流层.由于地磁场可以屏蔽外来高能粒子，他认为地磁场的长期变化(比如地磁场西漂)可以导致气候改变.Crutzen等(1975)进一步指出，能量段在1GeV的太阳高能质子轰击大气能够分解和离解氮分子，氮原子与氧原子结合产生大量的一氧化氮，进而对臭氧层产生显著的破坏.在这些研究的基础上，Reid等(1976)提出，地磁倒转期间，高能粒子入侵所导致的臭氧层破坏有可能是生物灭绝的原因.
以上所介绍的工作，可以归纳为一种思路：地磁倒转期间地磁场减弱，外来高能粒子直接或间接地对生物圈造成损害.但是，另有极少一部分学者，秉持不同的思路：大气逃逸.正如1959年辐射带的发现促生1963年的地磁倒转与生物灭绝因果关系假说的提出一样，1967年“水手5号(Mariner V)”对金星的探测结果启发了McCormac and Evans(1969)提出新观点：地磁倒转期间磁场减小为零，此时的地球便和金星类似，可能电离层在100 km以上所产生的离子都会被太阳风剥蚀掉，并且，太阳风还可能对中性成分产生更为显著的剥蚀，甚至造成大气层的损失.用今天的知识来看，这篇论文也大致是错误的.首先，其理论依据在于水手5号没有观测到由二氧化碳和水分子产生的金星的氧冕(oxygen corona)，因此他们推测不仅金星没有氧冕，火星也应该没有氧冕，是因为缺乏磁场保护而被太阳风剥蚀掉了，继而推测地磁倒转时期的地球也会遭受类似的太阳风剥蚀而导致大气损失.后来的探测证实火星有很明显的氧冕，金星的氧冕尚存争议：前苏联的“金星11号(Venera 11)”和美国的“先锋金星号(Pioneer Venus Orbiter)”探测到了，但欧洲的“金 星快车(Venus Express)”一直未探测到(Lichtenegger et al., 2009). 其次，行星大气的多寡并非仅由行星磁场和太阳风决定，还涉及到与水有关的许多地球化学过程.比如，金星的发电机虽然在几十亿年前停止，其表面大气压约为地球的93倍.这也就不难理解为何这篇论文没有引起学界的兴趣，以至于很快淹没在汗牛充栋的文献堆里.尽管如此，这个工作仍 有其伟大之处：它没有落入“有害物质入侵”的思维 窠臼，而是另辟蹊径，开拓出“有益物质逃逸”的新方向. 3.2 衰退与反思
从20世纪70年代后期开始，地磁倒转与生物灭绝因果关系研究的论文数量逐渐减少.从发表的论文上看，主要表现为新的证据越来越少，其思想也无法跳出“有害物质入侵”的直接和间接效应.实质原因是“一对一”假说无法解释越来越多的新数据.显生宙有数百次地磁倒转，灭绝率却呈现5个峰值，即5次大灭绝(Raup和Sepkoski，1982)；人类在数百万年的演化过程中经历过至少十数次地磁倒转，却并未灭绝.如果一次倒转对应一次生物灭绝，那么这些新数据都无法解释；如果认为地磁倒转对生物圈的伤害是有物种选择性的，却又无法给出任何的选择机制.真正的转折发生在1980年.Alvarez父子领导的研究团队在《Science》上发表了长达14页的论文，以地层中的铱元素为证据提出小行星撞击导致了白垩纪末期的大灭绝(Alvarez et al., 1980).翔实的证据、新颖的思路、恐龙灭绝的悲剧色彩、甚至作者此前的诺贝尔奖光环，都引起了学界的研究热潮和公众的街谈巷议.从学术论文、科普著作、科幻作品直到好莱坞电影，无不迅速聚焦于此.在80年代前期，地磁倒转与生物灭绝因果关系研究的论文也在文献中逐渐走向“灭绝”.
一些学者尝试从周期性变化的角度来讨论，同时思路也从单一灭绝诱因向复合灭绝诱因过渡.事实上，如前文所述，Black(1967)已经做出了这样的思路转变，但无证据支持.Raup和Sepkoski(1984)分析了过去2.5亿年的海洋生物化石后得出 生物灭绝的间隔为2600万年.Rampino和Stothers(1984)分析了整个显生宙(5.5亿年)的化石数据后得出生物灭绝周期为3300±300万年.如果地磁倒转与生物灭绝之间的确存在因果关系，那么地磁倒转应该也存在类似的周期性.Raup(1985)分析了过去1.65亿年的地磁倒转数据，宣称存在3000万年的周期性.但是他并未因此而明确支持因果关系存在，而是比较委婉地提出生物灭绝与地磁倒转和小行星撞击都可能存在联系.Lutz(1985)对Raup(1985)的数学分析方法提出质疑，认为所谓的周期性并不存在.面对地磁倒转猜想与小行星撞击猜想的竞争关系，Muller和Morris(1986)继承了Glass和Heezen(1967)的猜想，提出了一个模型论述小行星撞击导致地磁倒转的可能性(后来也被学术界否定(Kerr，1990)).于是，地磁倒转被看作是与生物灭绝并列的一个小行星撞击的结果，人们通过溯源和重新定义问题的方式宣布了“一对一”假说的20多年研究历史的落幕.之后，有关地磁倒转与生物灭绝因果关系的论文在其主要的争鸣场所——《Nature》和《Science》等刊物上几乎绝迹.
综观这20多年的研究历程，再对比当今的学术研究状况，地磁倒转与生物灭绝因果关系研究大致可以概括出三个方面的特征.一是研究人员独立工作多于合作.没有电子化期刊、互联网搜索和便捷的交通，研究人员的活动范围较为封闭，只能根据所能接触到的极为有限的信息来进行研究，个人的思辨活动在整个研究中所占比例非常大，论文署名也多为单一作者.二是数据稀少且不均匀.一个原因是样本越古老，越不容易保存下来并被研究者发现；另一个原因是已有样本大多来自于某些特定地理区域和地层(Marshall，2010).这样的数据库在不同等级的生物分类(一般讨论科、属和种)都呈现出不均匀性，在时间上有非常显著的不连续性.这会给相关性和周期性的估计工作引入非常大的误差和不确定性.三是猜想多于实证.由于前两方面的原因，大部分工作可以归为科学猜想或假说，作者较多地在论文中表达自己对问题的理解，较少地展示详实的证据或者缜密的逻辑推理.
纵观这20多年的研究历程，对比自然科学发展的典型特征，地磁倒转与生物灭绝因果关系研究也可以分三个方面来总结.一是典型的“瞎子摸象”的过程.古磁场和化石数据的更新引发新解释和新猜想的出现，但是始终远未接近事实的全貌.二是地球科学研究概念更新的过程.人们逐渐接受地球是一个多圈层耦合的体系，发生于地球深部的地核过程可以控制地表环境的变化；传统物理学和化学形成分析基础，新建立的空间物理学和行星物理学等分支学科交叉介入，使得人们把地球当作一个整体来看待其演化，甚至把地球当作一个行星来看待.三是规划“大型研究”之前的论证过程.人们需要利用已有知识，发挥想象力，充分讨论各种可能性，以待将来条件成熟时，供后人借鉴、参考、评论和批驳. 4 再探因果关系：“多对一”假说的尝试
在“一对一”假说衰退后的三十年里，地磁倒转的研究提供了许多新的知识，让我们对极性倒转期间的地磁场的强度和形态都有了较为全面的认识(Amit et al., 2011).在观测上，已经能够利用大量古磁场数据反演出上一次地磁倒转整个过程的磁场变化(Leonhardt and Fabian， 2007)；在模拟上，已经能够利用超级计算机来模拟整个地磁倒转过程(Glatzmaier and Roberts， 1995).同一时期，生物灭绝的研究也有了许多新的突破(戎嘉余和黄冰，2014)，尤其是对于显生宙化石数据库的校正结果，展示出了生物演化的一些以前未发现的趋势特征(Alroy，2010；Marshall，2010).
空间环境方面的研究进展使人们更加深刻地理解地球磁层与电离层中发生的各种物理过程，及其对生物圈环境演化的重要意义.由于磁层的存在，太阳风不能直接接触电离层和中性大气，但是仍能通过多种间接的方式来向电离层和大气输入粒子、场和能量.太阳风中的氢离子可以通过极隙区大量进入磁层(Shi et al., 2013)；太阳风中的磁场和粒子也可随着向阳面磁层顶的重联过程进入磁层(例如，Zhong et al., 2013；Rong et al., 2013；魏勇等，2006)；太阳风中的电场也可经由磁层和高纬电离层穿透到赤道电离层中去，并引起多种电磁场扰动现象(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)；太阳风能量进入磁层后的存储与释放过程的复杂性也被广泛研究(例如，Yao et al., 2012；2013a；2013b).尽管太阳风能通过各种间接方式穿过地球磁层进入电离层和大气层，但是磁层对生物圈仍然有着非常重要的保护作用，尤其是在削弱电离层离子逃逸方面.而正是这一点，启发了“多对一”假说的提出(Wei et al., 2014).
电离层中的离子来源于大气的电离，所以离子的逃逸直接造成大气的逃逸.电离层顶部主要成分是氧离子和氢离子，两种离子都能发生逃逸.太阳风的主要成分为氢离子(占95%左右)，可以向磁层补充氢离子(Shi et al., 2013)，而氧离子的逃逸是无法 补偿的.地磁场对离子逃逸的削弱通过两个途径实 现(图 1a).一个是阻止太阳风直接接触电离层，削弱能量传输效率和传输总量；另一个是通过磁层等离子体对流(Dungey cycle)来把已经上行至磁层的离子(例如，Li et al., 2012；2013)重新送回电离层，从卫星数据估算大约90%的上行离子都被送回(Seki et al., 2001).地磁场对大气的保护作用已经通过比较行星学的方法对地球和火星进行观测对比证实(Wei et al., 2012b).驱动离子逃逸的最终能量来源是太阳风，太阳风动压越大，所导致的逃逸率就越大，这一规律无论是在有内禀磁场保护的地球(Moore and Horwitz， 2007)还是无内禀磁场保护的 金星(Wei et al., 2012c)和火星(Lundin et al., 2007)都成立.
 | 图 1(a)当前磁层氧离子逃逸和回归示意图.磁层对流(Dungey Cycle)在远磁尾中性线(DNL，距离地球125个地球半径)发生转向，靠近地球的一侧朝向地球对流.如红色箭头所示，氧离子从极隙区和极光带上行，大部分会随磁层对流重 新回到电离层.(b)地磁倒转时期可能的多极子磁层氧离子逃逸示意图.太阳风可更加接近电离层，氧逃逸的情况与当前 火星非常类似(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 RE tail 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) |
在地磁倒转的时候，地磁场对离子逃逸的两个削弱作用都遭到破坏：地磁强度减弱，使得太阳风更加接近电离层，能量传输也更为直接；地磁场从偶极位形变为多极子位形，磁层等离子体对流几乎消失，地磁场无法将已经上行的离子送回电离层.此时的太阳风与电离层离子的相互作用更加接近火星的情形(图 1b).Wei等(2014)采用了火星氧逃逸率的估算模型对地磁倒转时期的地球进行了估算，发现氧离子的逃逸率可以增加3~4个量级.由于氧逃逸是不可逆的，并且逃逸所造成的地球氧损失是可以积累的，如果每次地磁倒转期间都有如此大的逃逸率，那么地磁倒转率与大气氧含量变化的相关性(图 2)就可以用氧逃逸来理解.而大气氧含量的降低又是与生物灭绝相联系(Huey and Ward， 2005)，于是地磁倒转与生物灭绝的因果关系便可通过氧逃逸做中间环节来理解.
 | 图 2 显生宙地磁倒转率(a)、大气氧含量(b)与生物属级数量(c)变化的相关性(修改自Wei et al., 2014，图中数据来源详见该文献)Fig. 2 Temporal evolution of reversal rate(a)，O2 level(b) and marine diversity(c)over the Phanerozoic era(The original data interpretation is referred to Wei et al., 2014 and the references therein) |
至目前，所有提出的地磁倒转对生物圈的破坏效应中，只有氧逃逸是可以在多次地磁倒转之间进 行积累的.据此，Wei等(2014)继承了McCormac和Evans(1969)提出的大气逃逸思路，提出了“多对一”假说：在长达数百万年的时间里，地磁倒转频率升高，地磁场对氧粒子的保护作用频繁减弱，氧粒子逃逸率频繁增加，导致大气氧含量持续下降，并最终降至诱发生物灭绝的阈值.5 讨论与展望
地磁倒转的研究已过百年，倒转的原因仍不清楚；地磁倒转与生物灭绝因果关系的研究已五十年，问题也仍然没有解决.历史文献记录了人们所提出的各种因果假说，如果以化石证据做检验，没有任何一个能解释所有观测到的细节.正如Dietz和Holden(1973)所言：“hypotheses，like cats，have nine lives”，人们很难证实其正确性，也很难否定其重要性.现在已经比较清晰的是，生物灭绝是一个长期的环境持续恶化的结果，地磁倒转是一个重要的诱因，但绝不是唯一的诱因.在生物灭绝的各个阶段，分别是哪些因素的作用更重要，是较难解决的一个核心的问题.我们更应该看到，地磁倒转的诱因是地核状态的变化，生物圈的演化很大程度上受到地核的影响，这一点也正是Uffen在1963年最初的理解(Uffen，1963).
我们应当从地球系统科学的角度来理解地磁倒转与生物灭绝的因果关系.地核产生的磁场经由近三千公里厚的地幔和地壳到达地面，穿过生物圈、大气层和电离层后延展至太空形成磁层.所有地磁场所覆盖到的区域应当被视为一个整体，其间所发生的物理过程既受地核的影响，也可能反过来影响地核中的物理过程.对于水星的模拟研究表明，在千年或者更长的时间尺度上，磁层顶电流是可以影响到水星的发电机过程的(Heyner et al., 2011).地球目前的磁层顶在10个地球半径以外，因此这一效应并不明显.但当地磁倒转的时候，磁层顶大幅度下降，太阳风与磁层的相互作用有可能影响地核发电机过程.生物圈也位于地磁场覆盖的区域中，属于整个地球系统的一部分，因此，生物演化和生物圈环境演化应当视为整个地球系统演化的一个方面.
我们也应当从比较行星学的角度来理解地磁倒转与生物灭绝的因果关系.相对于人类寿命而言，地磁场变化非常缓慢，我们难以研究地磁倒转时期的空间环境.金星几乎没有任何内禀磁场，火星没有内禀磁场，但是具有很强的岩石剩磁.相对于目前的地球而言，火星与金星目前的空间环境更接近地磁倒转时期的地球空间环境，而在火星上也发现了其古磁场倒转的证据(Arkani-Hamed，2001).在研究地磁倒转时期的空间环境时，太阳辐射和太阳风对金星和火星的空间环境的影响能够给我们提供许多有用的信息，用以约束数值模拟研究和促进理论研究.从比较行星学的角度出发，能够用更多的实测数据来检验诸多的猜想.
近期地磁倒转与生物灭绝因果关系研究的突破可能来自两个途径.一是确定地磁倒转期间磁场强度与形态的更多细节.地磁倒转期间磁场形态较为复杂，直接使用岩石磁记录来反演磁场形态比较困难，因为要求有足量的样品和均匀的采样点地理分布.一个可作为补充的间接的方法是研究10Be同位素的分布.10Be同位素由高能宇宙射线轰击大气中的碳和氮等重原子所产生，而宇宙射线的通量及运动轨迹则受到地磁场强度和形态的调制，因此可用于研究倒转期间的磁场形态(Valet et al., 2014；Webber and Higbie， 2003；Webber et al., 2007).另外，地磁发电机模拟的进展可以展示倒转期间磁场形态的细节，更重要的是，有望找出地磁倒转的原因.二是针对新发现的证据提出更多的支持或反对 该因果关系的猜想.例如，Courtillot和Olson(2007)提出，地幔柱活动可能是导致环境变化和生物灭绝的原因，而地磁倒转也是伴随地幔柱活动出现的一种现象.
地磁倒转与生物灭绝的因果关系确是地球科学中的一个非常困难的重大问题.正确的理解也许要等到地球系统科学发展完善以后，但我们认为更可能出现的情况则是，对于这个问题的研究促进了地球系统科学的发展.在不知道这个问题到底有多难的情况下，人们已经研究了五十年，获得了对地球系统演化的丰富认识，而且还将持续研究.正如Verhoogen(1977)回顾地磁倒转的早期研究过程的 时候所感慨：“Ignorance，it would seem can sometimes be a blessing.”.
| [1] | "Alroy J. 2010. The shifting balance of diversity among major marine animal groups. Science, 329(5996): 1191-1194. |
| [2] | Alvarez L W, Alvarez W, Asaro F, et al. 1980. Extraterrestrial causes of the Cretaceous-Tertiary extinction. Science, 208(4448): 1095-1108. |
| [3] | Amit H, Leonhardt R, Wicht J. 2011. Polarity reversals from paleomagnetic observations and numerical dynamo simulations. Space Sci. Rev., 155(1-4): 293-355. |
| [4] | Arkani-Hamed J. 2001. Paleomagnetic pole positions and pole reversals of Mars. Geophys. Res. Lett., 28(17): 3409-3412. |
| [5] | Black D. 1967. Cosmic ray effects and faunal extinctions at geomagnetic field reversals. Earth Planet. Sci. Lett., 3: 225-236. |
| [6] | Brunhes B. 1906. Recherchesdur la diection de l'aimantation des rochesvolcaniques. J. Phys. Theor. Appl., 5(1): 705-724. |
| [7] | Clement B M. 2004. Dependence of the durations geomagnetic polarity reversal on site latitude. Nature, 428 (6983): 637-640. |
| [8] | Courtillot V, Olson P. 2007. Mantle plumes link magnetic superchrons to phanerozoic mass depletion events. Earth Planet. Sci. Lett., 246(3-4): 495-504. |
| [9] | Cox A, Doell R R, Dalrymple G B. 1963. Geomagnetic polarity epochs and Pleistocene geochronometry. Nature, 198(4885): 1049-1051. |
| [10] | Crain I. 1971. Possible direct causal relation between geomagnetic reversals and biological extinctions. Geol. Soc. Am. Bull., 82: 2603-2606. |
| [11] | Crutzen P J, Isaksen I S A, Reid G C. 1975. Solar proton events: Stratospheric sources of nitric oxide. Science, 189(4201): 457-459. |
| [12] | Dietz R, Holden J. 1973. Continents adrift: New orthodoxy or persuasivejoker? // Tarling D H, Runcorn S K. Implications of Continental Drift to the Earth Sciences, vol. 2. London: Academic Press, 1105. |
| [13] | Glass B, Heezen B. 1967. Tektites and geomagnetic reversals. Nature, 214(5086): 372. |
| [14] | Glatzmaier G, Roberts P. 1995. A three-dimensional selfconsistentcomputer simulation of a geomagnetic field reversal. Nature, 377(6546): 203-209. |
| [15] | Guo J P, Feng X S, Zuo P B. 2011. Interplanetary drivers of ionospheric prompt penetration electric fields. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 73(1): 130-136. |
| [16] | Harrison C G A. 1968. Evolutionary processes and reversals of the Earth's magnetic field. Nature, 217(5123): 46-47. |
| [17] | Harrison C G A, Funnell B M. 1964. Relationship of paleomagnetic reversals and micropaleoontology in two late Caenozoic cores from the Pacific ocean. Nature, 204(4958): 566-567. |
| [18] | Hays J D. 1971. Faunal extinctions and reversals of the Earth's magnetic field. Geol. Soc. Am. Bull., 82(9): 2433-2447. |
| [19] | Heyner D, Wicht J, Gómez-Pérez N, et al. 2011. Evidence from numerical experiments for a feedback dynamo generating mercury's magnetic field. Science, 334(6063): 1690-1693. |
| [20] | Huey R B, Ward P D. 2005. Hypoxia, global warming, and terrestrial late Permianextinctions. Science, 308(5720): 398-401. |
| [21] | Kerr R A. 1990. Impact-geomagnetic reversal link rejected. Science, 247(4945): 916. |
| [22] | King J W. 1974. Weather and the Earth's magnetic field. Nature, 247(5437): 131-134. |
| [23] | Laj C, Kissel C, Guillou H. 2002. Brunhes' research revisited: Magnetization of volcanic flows and baked clays. Eos Transactions American Geophysical Union, 83(35): 381-387. |
| [24] | Layer P W, Kroner A, McWilliams M. 1996. An Archean geomagnetic reversal in the Kaap Valley pluton, South Africa. Science, 273(5277): 943-946. |
| [25] | Leonhardt R, Fabian K. 2007. Paleomagnetic reconstruction of the global geomagnetic field evolution during the Matuyama/Brunhestransition: Iterative Bayesian inversion and independent verification. Earth Planet. Sci. Lett., 253(1-2): 172-195. |
| [26] | Li K, Haaland S, Eriksson A, et al. 2013. Transport of cold ions from the polar ionosphere to the plasma sheet. J. Geophys. Res., 118(9): 5467-5477. |
| [27] | Li K, Haaland S, Eriksson A, et al. 2012. On the ionospheric source region of cold ion outflow. Geophys. Res. Lett., 39: L18102,doi: 10.1029/2012GL053297. |
| [28] | Lichtenegger H I M, Gröller H, Lammer H, et al. 2009. On the elusive hot oxygen corona of Venus. Geophys. Res. Lett., 36: L10204,doi: 10.1029/2009GL037575. |
| [29] | Lundin R, Lammer R, RibasI. 2007. Planetary magnetic fields and solar forcing: implications for atmospheric evolution. Space Sci. Rev., 129(1-3): 245-278. |
| [30] | Lutz T M. 1985. The magnetic reversal record is not periodic. Nature, 317(6036): 404-407. |
| [31] | Marshall C R. 2010. Marine biodiversity dynamics over deep time. Science, 329(5996): 1156-1157. |
| [32] | Matuyama M. 1929. On the direction of magnetization of basalt in Japan, Tyo＾sen and Manchuria. Proc. Imperial Acad. (Tokyo), 5: 203-205. |
| [33] | Mazaud A, Laj C, de Sezez L, Verosub K L. 1983. 15-Myr periodicity in the frequency of geomagnetic reversals since 100 Myr. Nature, 304(5924): 328-330. |
| [34] | McCormac B Y M, Evans J E. 1969. Consequences of very small planetary magnetic moments. Nature, 223(5212): 1255. |
| [35] | McElhinny M W. 1971. Geomagnetic reversals during the Phanerozoic. Science, 172(3979): 157-159. |
| [36] | McFadden P L, Merrill R T. 1997. Asymmetry in the reversal rate before and after the Cretaceous Normal Polarity Superchron. Earth Planet. Sci. Lett., 149(1-4): 43-47. |
| [37] | Mercanton P. 1932. Inversion de l'inclinaison magnétique aux ages géologiques, Nouvelles constatations. C. R. Hebd. Sci., 194: 1371-1372. URL: http://visualiseur.bnf.fr/CadresFenetre?O=NUMM-3147&I=3&M=tdm. |
| [38] | Merrill R T, Mcfadden P L. 1999. Geomagnetic polarity transitions. Rev. Geophys., 37(2): 201-226. |
| [39] | Mojzsis S J, Arrhenius G, McKeegan K D, et al. 1996. Evidence for life on Earth before 3800 million years ago. Nature, 384(6604): 55-59. |
| [40] | Moore T E, Horwitz J L. 2007. Stellar ablation of planetary atmospheres. Rev. Geophys., 45: RG3002,doi: 10.1029/2005RG000194. |
| [41] | Muller R A, Morris D E. 1986. Geomagnetic reversals from impacts on the Earth. Geophys. Res. Lett., 13(11): 1177-1180. |
| [42] | Ogg J, Ogg G, Gradstein F. 2008. The Concise Geologic Time Scale. Cambridge: Cambridge University Press. |
| [43] | Ohtomo Y, Kakegawa T, Ishida A, et al. 2014. Evidence for biogenic graphite in early Archaean Isua metasedimentary rocks. Nat. Geosci., 7(1): 25-28. |
| [44] | Opdyke N D, Glass B, Hays J D, et al. 1966. Paleomagnetic study of Antarctic deep-sea cores. Science, 154(3747): 349-351. |
| [45] | Pan Y X, Deng C L, Liu Q S, et al. 2004. Biomineralization and magnetism of bacterial magnetosomes. Chinese Sci. Bull., 49(24): 2563-2568. |
| [46] | Pan Y X, Zhu R X. 2011. A review of biogeophysics: The establishment of a new discipline and recent progress (in Chinese). Chinese Sci. Bull., 56: 1335-1344, doi: 10.1036/972010-467. |
| [47] | Plotnick R E. 1980. Relationship between biological extinctions and geomagnetic reversals. Geology, 8(12): 578-581. |
| [48] | Rampino M R, Stothers R B. 1984. Geological rhythms and cometary impacts. Science, 226(4681): 1427-1431. |
| [49] | Raup D M. 1985. Magnetic reversals and mass extinctions. Nature, 314(6009): 341-343. |
| [50] | Raup D M, Sepkoski J J. 1982. Mass extinctions in the marine fossil record. Science, 215(4539): 1501-1503. |
| [51] | Raup D M, Sepkoski J J. 1984. Periodicity of extinctions in the geologic past. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 81(3): 801-805. |
| [52] | Reid G C, Isaksen I S A, Holzer T E, et al. 1976. Influence of ancient solar-proton events on the evolution of life. Nature, 259(5540): 177-179. |
| [53] | Roberts W, Olson R. 1973. Geomagnetic storms and wintertime 300-mb trough development in the North Pacific-North America area. J. Atmos. Sci., 30: 135-140. |
| [54] | Rong J Y, Huang B. 2014. Study of mass extinction over the past thirty years: A synopsis (in Chinese). Scientia Sinica Terrae, 44: 377-404 |
| [55] | Rong Z J, Wan W X, Shen C, et al. 2013. Method for inferring the axis orientation of cylindrical magnetic flux rope based on single-point measurement. J. Geophys. Res., 118(1): 271-283. |
| [56] | Sagan C. 1965.Is the early evolution of life related to the development of the Earth's core? Nature, 206(4983): 448. |
| [57] | Seki K, Elphic R C, Hirahara M, et al. 2001. On atmospheric loss of oxygen ions from earth through magnetospheric processes. Science, 291(5510): 1939-1941. |
| [58] | Shi Q Q, Zong Q G, Fu Q, et al. 2013. Solar wind entry into the high-latitude terrestrial magnetosphere during geomagnetically quiet times. Nat. Commun., 4: 1466. |
| [59] | Simpson J F. 1966. Evolutionary pulsations and geomagnetic polarity. Geol. Soc. Am. Bull., 77(2): 197-204. |
| [60] | Tarduno J A, Cottrell R D, Watkeys M K, et al. 2010. Geodynamo, solar wind and magnetopause 3.45 billion years ago. Science, 327 (5970): 1238-1240. |
| [61] | Uffen R J. 1963. Influence of the Earth's core on the origin and evolution of life. Nature, 198(4876): 143-144. |
| [62] | Valet J P, Bassinot F, Bouilloux A, et al. 2014. Geomagnetic, cosmogenic and climatic changes across the last geomagnetic reversal from Equatorial Indian Ocean sediments. Earth Planet. Sci. Lett., 397: 67-79. |
| [63] | Valet J P, Brassart J, Quidelleur X, et al. 1999. Paleointensity variations across the last geomagnetic reversal at La Palma, Canary Islands, Spain. J. Geophys. Res., 104(B4): 7577-7598. |
| [64] | Van Allen J A, Frank L A. 1959. Radiation around the Earth to a radial distance of 107, 400 km. Nature, 183(4659): 430-434. |
| [65] | Verhoogen J. 1977. Introduction to origin of thermoremanent magnetization: Advances in Earth and Planetary sciences, v.1,D.J.Dunlop (Ed.), Proceedings of AGU 1976 Fall Meeting URL: http://link.springer.com/book/10.1007/978-94-010-1286-7. |
| [66] | Watkins N D, Goodell H G. 1967. Geomagnetic polarity change and faunal extinction in the Southern ocean. Science, 156(3778): 1083-1085. |
| [67] | Webber W R, Higbie P R. 2003. Production of cosmogenic Be nuclei in the Earth's atmosphere by cosmic rays: Its dependence on solar modulation and the interstellar cosmic ray spectrum. J. Geophys. Res., 108(A9): 1355,doi: 10.1029/2003JA009863. |
| [68] | Webber W R, Higbie P R, McCracken K G. 2007. Production of the cosmogenic isotopes 3H, 7Be, 10Be, and 36Cl in the Earth's atmosphere by solar and galactic cosmic rays. J. Geophys. Res., 112: A10106, doi: 10.1029/2007JA012499. |
| [69] | Wei Y, Pu Z Y, Zong Q G, et al. 2014. Oxygen escape from the Earth during geomagnetic reversals: implications to mass extinction. Earth Planet. Sci. Lett., 394: 94-98. |
| [70] | Wei Y, Fraenz M, Dubinin E, et al. 2013. Can a nightside geomagnetic delta-H observed at the equator manifest a penetration electric field? J. Geophys. Res., 118(6): 3557-3567. |
| [71] | Wei Y, Wan W, Zhao B, et al. 2012a. Solar wind density controlling penetration electric field at the equatorial ionosphere during a saturation of cross polar cap potential. J. Geophys. Res., 117: A09308,doi: 10.1029/2012JA017597. |
| [72] | Wei Y, Fraenz M, Dubinin E, et al. 2012b. Enhanced atmospheric oxygen outflow on Earth and Mars driven by a corotating interaction region. J. Geophys. Res., 117: A03208, doi: 10.1029/2011JA017340. |
| [73] | Wei Y, Fraenz M, Dubinin E, et al. 2012c. A teardrop-shaped ionosphere at Venus in tenuous solar wind. Planet. Space Sci., 73(1): 254-61. |
| [74] | Wei Y, Zong Q G, Pu Z Y, et al. 2011a. Enhanced anti-sunward flow near local noon during a period of horizontal IMF and high solar wind velocity VY. Chinese Sci Bull., 56(11): 1117-1122. |
| [75] | Wei Y, Wan W X, Pu Z Y, et al. 2011b. The transition to overshielding after sharp and gradual interplanetary magnetic field northward turning. J. Geophys. Res., 116: A01211,doi: 10.1029/2010JA015985. |
| [76] | Wei Y, Hong M, Pu Z, et al. 2011c. Responses of the ionospheric electric field to the sheath region of ICME: A case study. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 73(1): 123-129. |
| [77] | Wei Y, Pu Z Y, Hong M H, et al. 2010. Long-lasting goodshielding at the equatorial ionosphere. J. Geophys. Res., 115: A12256, doi: 10.1029/2010JA015786. |
| [78] | Wei Y, Pu Z, Hong M, et al. 2009. Westward ionospheric electric field perturbations on the dayside associated with substorm processes. J. Geophys. Res., 114: A12209,doi: 10.1029/2009JA014445. |
| [79] | Wei Y, Hong M H, Wan W X, et al. 2008a. Unusually long lasting multiple penetration of interplanetary electric field to equatorial ionosphere under oscillating IMF Bz. Geophys. Res. Lett., 35: L02102,doi: 10.1029/2007GL032305. |
| [80] | Wei Y, Hong M, Wan W, et al. 2008b. Coordinated observations of magnetospheric reconfiguration during an overshielding event. Geophys. Res. Lett., 35: L15109, doi: 10.1029/2008GL033972. |
| [81] | Wei Y, Xiao C, Pu Z, et al. 2006. A further study of multiple flux rope events at the magnetopause observed by TC-1 on 18 March 2004. Chinese J. Geophys., 49(3): 825-831, doi: 10.1002/cjg2.901 |
| [82] | Yao Z H, Angelopoulos V, Pu Z Y, et al. 2013a. Conjugate observations of flow diversion in the magnetotail and auroral arc extension in the ionosphere. J. Geophys. Res., 118(8): 4811-4816. |
| [83] | Yao Z H, Sun W J, Fu S Y, et al. 2013b. Current structures associated with dipolarization fronts. J. Geophys. Res., 118(11): 6980-6985. |
| [84] | Yao Z H, Pu Z Y, Fu S Y, et al. 2012. Mechanism of substorm current wedge formation: THEMIS observations. Geophys. Res. Lett., 39: L13102, doi: 10.1029/2012GL052055. |
| [85] | Zhao B, Wan W, Lei J, et al. 2012. Positive ionospheric storm effects at Latin America longitude during the superstorm of 20-22 November 2003: Revisit. Ann. Geophys., 30(5): 831-840. |
| [86] | Zhong J, Pu Z Y, Dunlop M W, et al. 2013. Three-dimensional magnetic flux rope structure formed by multiple sequential X-line reconnection at the magnetopause. J. Geophys. Res., 118(5): 1904-1911. |
| [87] | Zhu R X, Ding Z L, Wu H N, et al. 1993. Details of magnetic polarity transition recorded in Chinese loess. J. Geomag. Geoelectr., 45(4): 289-299. |
| [88] | Zhu R X, Ding Z L, Du X G, et al. 1993. Morphology of the Earth's magnetic fields during the transition. Chinese J. Geophys., 36(3): 347-359. |
| [89] | Zhu RX, Liu C, Zhu K K. 1990. Polarity inversion frequency and distribution. Chinese Sci. Bull., 35(19): 1632-1637. |
| [90] | Zhu R X, Liu Q S, Pan Y X. 1999. The relationship of the geomag-netic polarity reversal with geological events of all world (in Chinese). Chinese Sci. Bull., 44(15):1582-1589. |
| [91] | Zong Q G, Reinisch B W, Song P, et al. 2010. Dayside ionospheric response to the intense interplanetary shocks-solar wind discontinuities: Observations from the digisonde global ionospheric radio observatory. J. Geophys. Res., 115: A06304, doi: 10.1029/2009JA014796." |
| [92] | 潘永信, 邓成龙, 刘青松等. 2004. 趋磁细菌磁小体的生物矿化作用和磁学性质研究进展. 科学通报, 49(24): 2505-2510. |
| [93] | 潘永信, 朱日祥. 2011. 生物地球物理学的产生与研究进展. 科学通报, 56(17): 1335-1344. |
| [94] | 戎嘉余, 黄冰. 2014. 生物大灭绝研究三十年. 中国科学: 地球科学, 44(3): 377-404. |
| [95] | 魏勇, 肖池阶, 濮祖荫等. 2006. 2004年3月18日高纬磁层顶多重通量管事件分析. 地球物理学报, 49(4): 929-935. |
| [96] | 朱日祥, 丁仲礼, 杜小刚等. 1993. 极性转换期间地球磁场形态学研究. 地球物理学报, 36(3): 347-359. |
| [97] | 朱日祥, 刘椿, 朱岗昆. 1990. 极性倒转频率及其分布规律. 科学通报, 35(4): 374-375. |
| [98] | 朱日祥, 刘青松, 潘永信. 1999. 地磁极性倒转与全球性地质事件的相关性. 科学通报, 44(15): 1582-1589. |