众所周知，地球当前拥有一个全球偶极性地磁场。地磁轴偏离自转轴约11°，地磁北极位于南极洲附近，地磁南极位于北冰洋附近。地磁场有效保护了地球生态圈免受来自宇宙射线——来自太阳系外的银河宇宙线粒子（GCR）和来自太阳的高能粒子（SEP）的直接轰击（图1）。因此，地磁场也被形象称之为地球的“防护罩”。
图1 地球磁场对银河宇宙线（GCR）以及太阳高能粒子（SEP）的屏蔽效应示意图
地磁场的形态及强度并不是恒定不变的。在历史上地磁场经常出现地磁极南北倒转（简称为地磁倒转）或磁极显著向中低纬偏移（简称为地磁偏移）的现象。古地磁研究表明，在过去的十万年间地磁场发生了数次全球性的地磁偏移（图2），包括在4万年前发生的Laschamps（La）偏移以及在6.5万年前发生的Norwegian–Greenland Sea (NGS) 偏移。当地磁偏移发生时，地磁场的偶极矩降低至当前的十分之一，地磁场逐渐以非偶极子成分占主导，地磁场的形态显著偏离偶极磁场结构。通常认为，在地磁倒转或偏移期间，由于地磁场强度显著减弱，外部宇宙高能粒子更容易贯穿进入地球大气层中。当宇宙线等高能粒子进入地球大气层后，会在低层大气高度（高度～10 km）处电离中性大气，并产生多种宇生放射性同位素（如14Be，14C，36Cl等），引起宇宙线辐射，影响云的形成，并进一步影响地球生态圈系统。
然而，由于缺乏可靠的古地磁模型和准确的计算方法，人们多年来对于地磁场，尤其是倒转或偏移期间的地磁场究竟如何屏蔽宇宙高能粒子，并不完全清楚了解。从定量分析计算上深入研究地磁场的屏蔽效应不仅有助于人们理解地质历史时期地球表面接收宇宙线通量的变化，也有助于研究地球宇生同位素历史产生率，宇宙线引起的辐射量变化，及气候环境、生物种群变化等系列重大科学问题。
图2 由古地磁模型预测的轴向偶极矩（ADM）在过去十万年间的变化。图中还展示了数个从全球分布的相对古强度(RPI)记录中获得的虚拟轴向偶极矩大小(VADM)随时间的变化。数次地磁偏移的时间标注在图的上方（双箭头长度范围）
为定量分析计算地磁场偏移期间地磁场对宇宙射线的屏蔽效应，中国科学院地质与地球物理研究所高佳维博士、导师戎昭金研究员、魏勇研究员，与德国地学研究中心合作，综合了当前可靠性最高的几种古地磁模型，使用并改进了宇宙线粒子进入大气层的传统粒子轨迹追踪方法，重构出了过去十万年间地磁场截止刚度（截止刚度是地磁场屏蔽效应的定量表示，粒子刚度高于截止刚度时能穿透地磁场进入大气层，反之则被屏蔽掉）的变化。他们的计算结果表明在地磁偏移期间，赤道处的截止刚度低于3 GV（而当前赤道处的截止刚度可达15 GV），刚度大于5 GV的高能粒子均可进入地球大气层，所以，在地磁偏移期间进入大气层的宇宙线通量至少是当前的三倍以上（图3）。
他们的计算结果定量地估计了地磁偏移期间地磁场对宇宙高能粒子的屏蔽作用，也为进一步定量估计过去十万年期间地球大气层中的宇生同位素产生率，宇宙线辐射通量，低高度电离层电离率，重构过去十万年间的太阳活动强度以及气候变化等科学问题提供了基础。
图3 过去十万年期间地磁场截止刚度的变化。（a）北纬45°，赤道，南纬45°处的截至刚度随时间的变化。（b）2.5 GV以及5 GV宇宙线能穿透的面积占地球总面积的比例。（d）进入地球电离层的宇宙线通量。（e）不同能量宇宙线进入电离层的通量。过去十万年间发生的五次地磁偏移标的时间注于图的上方
研究成果发表于国际学术期刊Geochemistry, Geophysics, Geosystems,和Journal of Space Weather and Space Climate。研究得到国家自然科学基金（41922031,41774188）、中科院B类先导专项（XDB41000000）、中国科学院地质与地球物理研究所重要研究课题（ZDBS-SSW-TLC00103，IGGCAS-201904, IGGCAS-202102）和国家留学基金委（202004910583）项目的资助。
1. 高佳维, Korte M, Panovska, 戎昭金, 魏勇. Effects of the Laschamps excursion on geomagnetic cutoff rigidities[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2022, 23, e2021GC010261. DOI: 10.1029/2021GC010261.
2.高佳维, Korte M, Panovska S, 戎昭金, 魏勇. Geomagnetic field shielding over the last one hundred thousand years[J]. Journal of Space Weather and Space Climate, 2022, 12: 31. DOI: 10.1051/swsc/2022027.
