地球磁场强度与大气氧气含量相关？或有助于寻找生命行星
地球是太阳系中唯一已知同时拥有强磁场和复杂生命的行星，长期以来，科学家们猜测这两者之间可能存在某种联系，2025年6月发表Science的一项研究，通过分析过去5.4亿年的地质记录，证实了地球磁场强度与大气氧含量之间存在显著相关性，为理解地球宜居性的长期维持机制提供了全新视角。
地球拥有两个独特特征，一是支持以氧气为基础代谢的复杂生命形式，二是在其大部分历史时期维持着一个强大的地磁场，这两个特征在其他已知的类地行星上都不存在，那是否是地磁场的存在在某种程度上影响了地球的宜居性呢？
为了验证这一假设，研究团队分析了两个完全独立的数据集，一个是根据古地磁记录重建的虚拟地磁轴向偶极矩（VGADM），另一个是根据多种地球化学指标推断的大气氧气水平，这两个数据集都覆盖了过去5.4亿年的时间范围，计算了两个数据集在不同时间尺度上的相关性。其中，虚拟地磁轴向偶极矩是衡量地球磁场整体强度的指标，它基于全球古地磁数据，假设地球磁场主要是偶极场的情况下计算得出。
通过综合分析过去5.4亿年间地球磁场和氧气数据发现，地球磁场强度和大气氧含量都呈现出明显的线性增长趋势，表现出高度相关性，最大相关系数达到0.72，而且两个指标在3.3亿至2.2亿年前都经历了一次大幅度的激增。
即使去除长期趋势，仅比较短期波动，磁场和氧气仍然显示出显著相关性，最大相关系数为0.644。但当分析周期小于1000万年更高频的波动时，两者的相关性变得很弱且统计上不显著，表明氧气和磁场的关联主要表现在长时间尺度上。
研究团队通过蒙特卡洛模拟验证了这一结果的统计显著性，通过生成了大量具有相同自相关特性但随机波动的合成氧气时间序列，发现真实观测到的相关性位于这些随机序列相关性的99.9%百分位以上，说明这种关联极不可能是偶然出现的。
图：过去 5.4 亿年间氧气 (O 2 ) 含量和虚拟地磁轴向偶极矩 的时间变化🔽
为什么地磁场与氧气存在长期关联呢？研究团队可能有三种可能的解释。第一种解释认为，强地磁场通过减少氧气逃逸来保护大气；第二种解释是氧气和磁场的变化可能共同受到地球深部其他地球动力学过程的影响；第三种解释是两者的相关性仅为巧合，认为5.4 亿年的年龄仅占地球历史的一小部分。
对于第一种解释，理论上，磁场可以偏转太阳风，减少大气被剥离的速率，计算表明现代地球的氧气逃逸通量约为每年0.005Tmol，在地球历史大部分时期可能不超过每年0.002-0.004 Tmol，这与地球内部岩浆脱气、有机碳埋藏和有机风化等过程产生的氧气通量1~10Tmol相比微不足道，此外，地磁场的变化幅度理论上也不太可能使氧气逃逸率增加两个数量级，从而显著影响大气氧含量，更矛盾的是，没有磁场的金星虽然氧气水平极低，但其氧离子逃逸率实际上低于地球，所以，第一种解释还需要充分探索。
第二种解释则是更加合理，数据显示，地磁场和氧气的线性增长趋势可能与约5.4亿年前的前寒武纪末期固态内核开始形成有关，内核凝固释放的组分浮力比之前仅靠热浮力驱动的核心对流更为有效，这可能增强了地磁场的产生机制。然而，单凭这一过程可能不足以解释 2.2 亿到 3.3 亿年前的地磁场和氧气激增，这一峰值与超大陆 Pangea 和 Kiaman 反极性超时区的形成和扩散相吻合，因此，超大陆也可能对地磁场和大气 O2 含量的长期演化发挥关键作用，因此，需要对超大陆所施加的热条件进行更系统的研究，例如地球发电机和地壳循环产生O2的过程 。
参考文献：Strong link between Earth’s oxygen level and geomagnetic dipole revealed since the last 540 million years. Science Advances，13 Jun 2025，Vol 11, Issue 24，DOI: 10.1126/sciadv.adu8826