地球磁场与氧气的神秘关联

神秘的关联

地球是目前已知唯一拥有能使用氧气的复杂生命的岩质行星。最早、最明确无误的生命证据，是以微生物的形式出现的，这些生命可以追溯到35亿年前，甚至可能更早。在漫长的地质时间尺度中，地球经历了无数剧烈的内部地质事件和来自太空的猛烈冲击。这就引发了一个基本的科学问题：在如此动荡的地球史中，生命是如何存活下来，并延续至今的？

近年来，一些研究人员聚焦于一个关键的问题：地球强大的磁场，是否是地球能够维持宜居性的一个必要条件？古地磁记录显示，地磁场贯穿了地球的大部分地质历史，其持续存在的时间几乎与生命本身的历史一样久远。

为了寻找大气氧气浓度与地磁场之间是否存在关联，一项新研究分析了过去5.4亿年中，地磁强度与大气中氧含量的变化记录，发现两者似乎呈现出明显的同步波动趋势。研究人员将他们的发现发表于近期的《科学进展》中。

地质线索

尽管氧是地壳和地幔中的主要元素，但大气中以分子氧形式存在的氧气，直到大约25亿年前，才随着能进行光合作用的生物开始进化而逐渐积累。而直到约5.4亿年前的寒武纪之后，氧气浓度才上升到足以支持多数动物呼吸的水平。

虽然我们无法直接测量远古时期的大气成分，但地球化学家可以借助多种间接线索来重建氧气的变化史。例如，沉积物中化石木炭的丰度，可以反映野火的普遍程度，而野火发生的难易程度又与氧气浓度密切相关。

与此同时，地球物理学家则通过分析古火山喷发所形成的岩石，追踪地磁场的强度和方向的变迁史。这是因为在熔岩冷却过程中形成的磁性晶体，会根据当时的地磁方向排列，就犹如被时间封存的小指南针。

在新的研究中，研究人员将比较了过去5.4亿年里氧气浓度与地磁场强度的变化曲线，发现两者都呈现出明显的线性增长趋势，而且在距今3.3亿至2.2亿年前，还同时经历了一次幅度巨大的跃升。

基于间接地球化学指标重建的大气氧气浓度变化，与过去5.4亿年来地磁场强度的波动呈相关性。（图/Kuang et al. / Science Advances）

可能的解释

对于这种相关性，研究人员提出了几种可能的解释。

最直接的一种观点是：地球磁场被认为对高层大气具有保护作用，因为它可以偏转太阳风——太来自太阳的带电粒子流。如果没有地磁场，这些粒子会使氧气等气体从大气中逃逸到太空中。然而，研究团队通过计算发现，就算地磁场突然减弱，造成的氧气损失也远低于光合作用所产生的氧气总量，甚至也低于生物活动和地质循环中氧气的整体消耗。

因此，研究人员认为一种更合理的解释是，地磁场本身可能不会直接影响氧气循环，但它可能与氧气循环受到同一种地球深部过程的影响。在数亿年的地质演化中，构造运动不断推动超级大陆的聚合与解体。这一过程释放大量营养物质，促进了海洋中产氧藻类的快速繁殖，进而提高了大气中氧气的含量。

板块构造是由地幔的缓慢对流驱动的，而这种对流也可能影响到液态外核——地磁场正是在外核中产生的。

寻找系外生命的新指标

揭示地磁场与大气氧气浓度之间的潜在联系，不仅有助于解释地球为何宜居，也可能有助于在遥远的系外行星上寻找生命。

众所周知，观测系外行星的成本非常高，因此天文学家需要宜居某些“筛选指标”来优先选择潜在的宜居星球。这项研究的发现就可以成为一个参考指标之一。

#参考来源：

https://www.nature.com/articles/d41586-025-01862-x

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8826

#图片来源：

封面图 & 首图：Pawel Czerwinski / Unsplash