[중국] 대기 산소 탈출은 지자기역전-생물 대멸종 인과관계의 중요한 고리
지구는 하나의 내부[지심(core)]에서 공간[자기권(magnetosphere)]까지 다중권으로 결합된 복잡한 시스템이다. 이 시스템의 중간고리, 즉 인류와 기타 생물의 생존과 밀접한 관계가 있는 대기권(atmosphere), 생물권(biosphere), 수권(hydrosphere)은 지구내부의 동역학적 과정의 제어를 받을 뿐만 아니라 공간의 각종 물리과정의 영향도 받는다. 지질 기록 데이터에 의하면 각종 진화 행위와 중대한 사건의 구동요소는 흔히 내부에서 기원되고 공간과 결합되며 중첩된 물질과 에너지의 전환 및 이전 과정들이 누적되었다.
지구 현생대(Phanerozoic era) 단계의 진화에서 3개의 파라미터가 흥미로운 연관성을 나타낸다. 즉, 지자기역전(geomagnetic reversal)의 빈도수, 대기 산소함유량(oxygen content), 바이오매스이다(그림1). 앞서 1963년에 지핵의 변화가 초래한 지자기역전은 생물 대멸종(mass extinction)의 발생원인이라고 제기되었다. 예전에 지자기역전이 발생한 기간에, 지구는 자기장의 보호를 잃어 외부의 고에너지입자(high-energy particle) 등의 “킬러(killer)”로 인해 생물권이 피해를 입었다고 인정된 적이 있었다.
그 이후 데이터가 점점 많아져 지자기역전과 바이오매스의 연관성이 점차적으로 증명되었다. 그러나 이런 데이터는 오히려 처음의 아이디어와는 달랐다. 현생대에 천 번쯤 되는 지자기역전이 발생한 적이 있지만 전 지구적인 대멸종은 5번 밖에 일어나지 않았다. 인류 수백만 년간의 진화과정에서도 수십 번의 지자기역전을 겪었으나 멸종되지는 않았다. 그러므로 지자기역전과 생물 대멸종의 인과관계는 광범위하게 의문을 가지게 되었다. 2005년에 대기산소함량과 바이오매스의 연관성이 발견되어 이 사이의 인과관계에 대한 연구가 주력되었다. 그러나 이런 인과관계 사슬에서 상류 고리인 산소함유량 감소의 원인은 여전히 해결되지 않은 문제이다.
중국과학원 지질 및 지구물리연구소 지자기 및 공간물리연구실에서 연구원 Yong Wei는 북경대학교(Beijing University), 청화대학교(Tsinghua University), 독일 막스-플랑크태양계연구소 등 기관 학자들과의 협력을 통해 목적 있는 연구를 진행하여 이에 대한 새로운 관점을 제기했다. 첫째, 지자기역전과 생물 대멸종은 “다대일(many-to-one)” 관계이고 전통적 “일대일(one-to-one)” 관점, 즉 “지자기역전이 생물의 생존환경에 입힌 손해는 장기적이고 누적한 것임”이 아니다. 둘째, 지자기역전은 자기권의 보호작용을 약화시켜 고에너지입자의 침입을 일으킬 뿐만 아니라 산소이온탈출(oxygen ion escape)도 심해지는데 산소이온탈출만이 누적할 수 있는 것이다. 마지막으로, 현재 산소탈출 상황에 비해 지자기역전 기간의 산소탈출 메커니즘은 현재의 화성(Mars)에 가깝다(그림2).
지구와 행성 사이의 공간환경에서 입자 탈출을 시작하게 하는 주요한 요소는 태양풍(solar wind)이다. 이 협력팀은 항성모델과 전갈자리(scorpius) 남쪽에 있는 태양보다 3억 년 어린 항성 18 scopii를 사용하여 현생대 태양풍 변화범위의 근사값을 구했다. 행성 입자탈출을 약화시키는 주요한 요소는 고유 자기장이다. 지핵에는 활약한 발전기가 있기에 이가 생성한 자기장은 공간으로 확장하여 자기권이 형성되고 태양풍과 공간입자의 직접적인 접촉을 차단하며 따라서 이의 침식효과를 약화시킨다.
그러나 현재 화성에 발전기가 없고 미약한 암석에서 남은 자기만 있으며 이의 발전기는 몇 십억년 전에 이미 정지된 상태라고 짐작된다. 자기장의 보호가 없어서 화성의 물은 이미 완전히 빠져나간 상태이다.
그들은 행성을 비교하는 방법으로 화성의 산소탈출모델을 지자기역전 시기의 지구에게 응용하여 산소입자 탈출률(escape rate)의 변화상황에 대하여 추산했다. 그 결과, 지자기역전 기간의 산소 탈출률은 1,000배 증가되었고 수량급은 1986년 헬리혜성(Halley`s Comet)이 지구 궤도를 지나갈 때의 산소 손실률에 접근되고 이가 누적된 결과는 대기산소함량의 감소를 해석할 수 있고 따라서 새로운 관점의 가능성을 증명했다.
이 연구는 지자기역전과 생물 대멸종의 인과과계에 대해 새로운 해석을 제기했다. 즉 수백만 년간의 시간 동안 지자기역전 빈도수의 증가로 인해 지자기장이 산소입자에 대한 보호작용이 빈번하게 약화되고 산소입자의 탈출률이 빈번하게 증가되어 대기 산소함유량이 지속적으로 감소되고 따라서 생물 대멸종을 유발하는 임계값으로 내려갔다. 이 연구결과는 “지자기역전-산소탈출-생물멸종” 인과관계 사슬의 구축에 이론적인 근거를 제공했을 뿐만 아니라 지구와 행성물리의 종합적인 연구에도 사례와 아이디어를 제공했다.
이 연구성과는 최근에 국제지구과학저널 Earth and Planetary Science Letters（Wei et al. Oxygen escape from the Earth during geomagnetic reversals: implications to mass extinction. Earth and Planetary Science Letters, 2014, 394: 94-98）에 발표되었다.
[출처 : KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 5월 1일]
[원문보기]
地质地球所等揭示大气氧逃逸是地磁倒转-生物大灭绝 因果关系链的重要环节
地球是一个从内部（地核）到空间（磁层）多圈层耦合的复杂系统。该系统的中间环节，即与人类和其他生物生存紧密相关的大气圈、生物圈和水圈等圈层，不仅被内部的动力学过程控制，还受到空间的各种物理过程的影响。地质记录数据展示出的各种演化行为和重大事件的驱动因素，往往是起源于内部、耦合于空间、并牵涉到物质与能量的转换和转移的各种过程的叠加。
地球显生宙阶段的演化，有三个参数呈现出有趣的相关性：地磁倒转频率、大气氧含量和生物数量（图1）。早在1963年就有人提出，地核变化所导致的磁场倒转可能是生物大灭绝的原因。人们曾认为地磁倒转期间地球失去磁场的保护，外来的高能粒子等“杀手”得以危害生物圈。后来随着数据的逐渐丰富，地磁倒转频率与生物数量的相关性逐步得到证实。但是，这些数据反而否决了人们最初的思路：显生宙有近千次地磁反转，却只有5次全球性的大灭绝；人类在数百万年的演化过程中曾经历过数十次地磁倒转，却并未灭绝。于是，地磁倒转与生物灭绝的因果关系受到广泛质疑。2005年，人们又发现了大气氧含量与生物数量的相关性，于是开始致力于研究其间的因果关系。但是，这个因果关系链的上游环节——氧含量下降的成因，仍是一个无解的问题。
中国科学院地质与地球物理研究所地磁与空间物理研究室研究员魏勇与北京大学、清华大学、德国马普太阳系研究所等单位的学者合作开展了针对性研究，并提出了全新的观点：首先，地磁倒转与生物大灭绝应该是“多对一”的对应关系，而非传统观点认为的“一对一”关系，即地磁倒转对生物生存环境造成的损害应该是长期的、可积累的；其次，地磁倒转造成磁层保护作用减弱既能造成高能粒子入侵，又使得氧离子逃逸加剧，但只有氧离子逃逸是可积累的；最后，相比当前的氧逃逸的情况，地磁倒转期间的氧逃逸机制更接近于当前的火星（图2）。
在地球和行星的空间环境中，驱动粒子逃逸的主要因素是太阳风。该合作团队分别使用了恒星演化模型和位于天蝎座南部的一颗比太阳年轻3亿年以上的恒星18 scopii来近似求取显生宙太阳风的变化范围。削弱行星粒子逃逸的主要因素是内禀磁场。地核中存在活跃的发电机，其所产生的磁场延伸到空间形成磁层，阻止太阳风与空间粒子直接接触，从而削弱其剥蚀效应；而当前火星没有发电机，仅有微弱的岩石剩磁，据估计其发电机可能在几十亿年前已经停止。由于缺乏磁场的保护，火星上水几乎已逃逸殆尽。他们采用比较行星学的方法，改造火星氧逃逸的模型应用于磁场倒转时期的地球，对氧粒子逃逸率的变化情况进行了估算。结果发现，地磁倒转期间氧逃逸率可增加1000倍以上，量级上接近1986年哈雷彗星飞掠地球轨道时所测得的氧损失率，其累积结果可以解释大气氧含量的下降，从而证实了新观点的可能性。
这项研究对地磁倒转和生物大灭绝的因果关系提出了新的解释：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大灭绝的阈值。该研究结果不仅为建立“地磁倒转-氧逃逸-生物灭绝”因果关系链提供了理论依据，还为地球与行星物理的综合研究提供了例证和思路。
该研究成果近期发表于国际地学期刊Earth and Planetary Science Letters（Wei et al. Oxygen escape from the Earth during geomagnetic reversals: implications to mass extinction. Earth and Planetary Science Letters, 2014, 394: 94-98）。
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