[비즈한국] 曾几何时，在社交媒体上经常能看到这样的话题：今年在韩国或许能看到极光。太阳每11年迎来一次活动最剧烈的极大期，而今年不仅恰逢极大期，而且太阳正处于非常狂暴的状态。因此，许多人一直期待着今年夏天能看到极光。极光是太阳与地球相互作用所产生的绝美景象。事实上，虽然外表看起来很美，但其背后也可以看作是发生在太阳与地球之间一场激烈的无声战争所留下的伤痕。
地球的磁场不仅是一位在极地天空绘出绿色光芒艺术作品的艺术家，事实上，它更是让地球生命能够安然生存的救命恩人。如果磁场不存在，地球恐怕早已步了火星的后尘。因为奔向地球的太阳风粒子会直接抵达地表，导致地球的大气和海洋全部散逸到外太空。幸运的是，地球的磁场成功抵御了跨越1.5亿公里飞行而来的太阳风粒子。多亏了这一点，地球生命才获得了约45亿年时间，得以繁衍生息并不灭绝。
然而，磁场或许并不仅仅扮演着保护伞的角色。最近发现的一些有趣证据表明，它可能发挥了更为积极的作用。或许，是地球磁场创造了地球上的氧气。
地球是如何成为这样一个充满生命的世界的呢？地球生命史上最重要的时刻之一，就是大气中氧气浓度急剧上升的“大氧化事件”。约28亿年前，地球大气中的氧气开始激增。当时，随着植物开始出现在海面上，光合作用大规模展开，由此产生的氧气充满了大气，给地球生态系统带来了大变革。
我们如何才能知道过去地球的天空中呼吸着多少植物呢？回顾地球漫长记忆的方法有几种。首先是翻阅“木炭的记忆”。过去自然森林火灾导致树木燃烧，留在灰烬中的成分记录了氧气燃烧后的痕迹，通过分析这些成分，可以掌握过去发生火灾时的氧气浓度。利用岩盐等矿物也是一种方法。分析盐结晶在凝固过程中被锁在里面的古老大气成分，也可以追溯氧气浓度。
NASA的科学家们通过这些分析，追踪了从约5.4亿年前至今地球氧气浓度的变化。图表中的蓝色线条显示了氧气浓度的波动。然而，在3.5亿年前到2.5亿年前之间，出现了一个非常有趣的区间。在这段时期，氧气浓度突然暴涨至40%，随后又小幅下降，达到目前的水准。在这长达约1亿年的特定时期里，为何氧气浓度会突然暴涨后又下降，其原因一直难以捉摸。
然而，天文学家们在意外的数据中发现了一个有趣的事实。有另一种现象表现出了完全相同的模式，那便是地球的磁场。古老地球的磁场同样在地球各处留下了痕迹。典型的例子是深海中洋壳向两侧分裂扩散的离散型边界岩石。在刚喷出的岩浆凝固过程中，其中的金属成分会沿着地球磁场的方向排列，这充当了一种追踪古地磁方向的指南针。通过这一点，可以获知地球磁场的变化。
在下图中，红色线条显示了地球磁场两极排列强度即地球磁场偶极矩（VGADM，Virtual Geomagnetic Axial Dipole Moment）的变化。令人惊讶的是，它呈现出与前面看到的蓝色图表——即地球大气氧气浓度变化相似的模式。特别是在3.5亿年前到2.5亿年前之间，两者都出现了同样的激增。
这暗示了地球大气氧气浓度的变化与地球磁场的变化之间存在着密切的联系。两者的相关性在统计学上太强，难以将其简单地归结为偶然。那么，这之间究竟发生了什么呢？
遗憾的是，此次分析仅显示了二者的相关性，无法明确因果关系。因此，必须考虑三种可能性：磁场变化导致氧气浓度改变；或是氧气变化导致磁场改变；最后是某种巨大的变化导致氧气和磁场同时发生改变。
首先来看磁场变化导致氧气浓度改变的可能性。事实上，中心恒星的狂暴活动会破坏周边行星大气的观点已广为人知。有计算表明，在比太阳更矮小但更狂暴的恒星身旁，仅在2500万年间，相当于目前地球大气总质量的大气分子就会消失。因此，得益于地球磁场的增强，地球大气层能够更好地抵御太阳风，氧气从而有更多存留的可能性。
不过这一假说尚不完美。因为数据呈现的并非地球大气分子的总量，而是其中氧气的浓度变化。如果地球磁场的增长是保护大气层的结果，那么不仅是氧气，整个大气的总量也应该同步增加。因此，要证明这种因果关系，不仅要看氧气浓度，还要核对古地球大气压等数值。遗憾的是，目前尚无明确的方法来追踪古地球的大气压。也有可能由于磁场增强，陆地植物得以更长时间繁茂，从而导致氧气浓度升高。如果是这样，倒可以解释为何大气中唯独氧气浓度激增。但目前缺乏足够的证据来支持这一假说。
那么，因果关系是否可能从磁场指向氧气，反过来亦然？大气中氧气浓度升高，其一部分也可能传导至地下。在地球板块分裂和移动的过程中，大气中的氧气经过海洋渗透进岩石和岩浆中，并传导至地幔。通过这种连接天空、海洋和陆地的大规模循环，地幔的化学组成转变为富氧环境。也就是说，地幔被氧化了。这种变化也有可能影响了地幔及其内部物质产生磁场的过程。但同样，目前尚无明确的依据来证明这一机制。
有趣的是，在图表中确认的磁场和氧气同时暴涨的时期，在地理学上与另一个历史时期重叠。这与过去地球陆地连为一体的超大陆“泛古陆”（Pangaea）开始分裂的时期相似。据推测，泛古陆正式开始解体的时间距今约2亿至3亿年前。而恰好就在这一时期，地球的磁场和氧气都出现了类似的激增。这种接连不断的巧合，让人更加深入思考地质变化或许最终触及了地球天空的可能性。
当然，这次发现也可能只是毫无意义的巧合。但如果地球磁场与氧气之间确实存在密切的联系，那么地球磁场就不仅仅是守护我们的保护伞，它还扮演了非常积极的角色，让地球生命得以繁衍生息并呼吸生存。多亏了磁场，我们不必躲避强烈的太阳光躲进洞穴，而是能够堂堂正正地走出室外；也多亏了磁场，我们才得以呼吸。
从这个角度来看，地球磁场产生的极光呈现出鲜艳的绿色，真是一个绝妙的巧合。今年夏天让我们心动的极光之所以呈现出特别的绿色，正是因为氧气。地球磁场使来自太阳的带电粒子聚集在极地。这些携带高能量的粒子撞击极地上层大气的氧分子，获得能量的氧分子便会发光。氧分子主要放射出绿色波长的光。这就是极光看起来呈绿色的原因。
事实上，从去年5月开始太阳就表现出了异样。时隔许久再次喷发出最强级别的X级耀斑，恰逢太阳的日冕物质抛射席卷地球。因此，在平时难以看到极光的低纬度地区也观测到了极光。当时在韩国江原道部分地区也捕捉到了微弱的极光。所以今年夏天，许多媒体才会对极光抱有期待。当然，这并不是说在韩国天空中能看到那种只有在挪威才能见到的华丽极光。无论天气多么晴朗，对于肉眼来说都是难以分辨的水平。
实际上，华丽的极光盛宴对天文学家来说有时反而是噩梦般的时刻。这意味着太阳十分狂暴，这可能会对现代人类文明中遍布整个行星的电力基础设施造成致命问题。尤其是对漂浮在大气层之外的人造卫星来说是致命的。因此，韩国天文研究院也在时刻监测太阳活动并预报太空天气。如今，我们生活在不仅要关注地球天空，还要在意1.5亿公里之外太阳“脾气”的时代。
为了安慰那些对今年夏天平淡无奇的极光感到失望的人们，太阳即将上演另一场“大事件”。在韩国能够观测到日全食的时刻正在临近。2035年9月2日，完全遮住太阳的月影将精准地横穿朝鲜半岛。不过有一个小小的（？）问题，那就是日全食路径大部分经过朝鲜地区。幸运的是，韩国地区也覆盖了一个点，即江原道最北端的固城。
就像曾经只有江原道束草部分地区能玩《宝可梦GO》而导致大量人群涌入一样，10年后会不会为了观看日全食，无数游客涌向固城呢？既然是韩国国内唯一能看到日全食的地区，对固城郡来说也将是举办地方自治团体活动的好机会。2035年9月2日，希望届时天气一定要好。
参考
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8826
https://science.nasa.gov/earth/earth-oxygen-magnetic-field-linked/
作者池雄培是？喜爱猫咪和宇宙。童年时期看到《银河铁道999》后，立志传播宇宙的美。目前担任世宗大学自由专业学部教授，同时进行讲座和写作等各种科学传播活动。著有《每天一片宇宙》、《星光璀璨的宇宙科学家们》、《虽然无法前往但可以了解》、《看到宇宙就会浮现的奇怪问题》等书籍，并翻译了《给真正航行宇宙的搭便车者的指南》、《我为何杀死了冥王星》、《量子生活》、《宇宙图像（Cosmigraphics）》等作品。