[비즈한국] 曾幾何時，在社交媒體上經常能看到這樣的話題：今年在韓國或許能看到極光。太陽每11年迎來一次活動最劇烈的極大期，而今年不僅恰逢極大期，而且太陽正處於非常狂暴的狀態。因此，許多人一直期待著今年夏天能看到極光。極光是太陽與地球相互作用所產生的絕美景象。事實上，雖然外表看起來很美，但其背後也可以看作是發生在太陽與地球之間一場激烈的無聲戰爭所留下的傷痕。
地球的磁場不僅是一位在極地天空繪出綠色光芒藝術作品的藝術家，事實上，它更是讓地球生命能夠安然生存的救命恩人。如果磁場不存在，地球恐怕早已步了火星的後塵。因為奔向地球的太陽風粒子會直接抵達地表，導致地球的大氣和海洋全部散逸到外太空。幸運的是，地球的磁場成功抵禦了跨越1.5億公里飛行而來的太陽風粒子。多虧了這一點，地球生命才獲得了約45億年時間，得以繁衍生息並不滅絕。
然而，磁場或許並不僅僅扮演著保護傘的角色。最近發現的一些有趣證據表明，它可能發揮了更為積極的作用。或許，是地球磁場創造了地球上的氧氣。
地球是如何成為這樣一個充滿生命的世界的呢？地球生命史上最重要的時刻之一，就是大氣中氧氣濃度急劇上升的“大氧化事件”。約28億年前，地球大氣中的氧氣開始激增。當時，隨著植物開始出現在海面上，光合作用大規模展開，由此產生的氧氣充滿了大氣，給地球生態系統帶來了大變革。
我們如何才能知道過去地球的天空中呼吸著多少植物呢？回顧地球漫長記憶的方法有幾種。首先是翻閱“木炭的記憶”。過去自然森林火災導致樹木燃燒，留在灰燼中的成分記錄了氧氣燃燒後的痕跡，透過分析這些成分，可以掌握過去發生火災時的氧氣濃度。利用岩鹽等礦物也是一種方法。分析鹽結晶在凝固過程中被鎖在裡面的古老大氣成分，也可以追溯氧氣濃度。
NASA的科學家們透過這些分析，追蹤了從約5.4億年前至今地球氧氣濃度的變化。圖表中的藍色線條顯示了氧氣濃度的波動。然而，在3.5億年前到2.5億年前之間，出現了一個非常有趣的區間。在這段時期，氧氣濃度突然暴漲至40%，隨後又小幅下降，達到目前的水準。在這長達約1億年的特定時期裡，為何氧氣濃度會突然暴漲後又下降，其原因一直難以捉摸。
然而，天文學家們在意外的資料中發現了一個有趣的事實。有另一種現象表現出了完全相同的模式，那便是地球的磁場。古老地球的磁場同樣在地球各處留下了痕跡。典型的例子是深海中洋殼向兩側分裂擴散的離散型邊界岩石。在剛噴出的岩漿凝固過程中，其中的金屬成分會沿著地球磁場的方向排列，這充當了一種追蹤古地磁方向的指南針。透過這一點，可以獲知地球磁場的變化。
在下圖中，紅色線條顯示了地球磁場兩極排列強度即地球磁場偶極矩（VGADM，Virtual Geomagnetic Axial Dipole Moment）的變化。令人驚訝的是，它呈現出與前面看到的藍色圖表——即地球大氣氧氣濃度變化相似的模式。特別是在3.5億年前到2.5億年前之間，兩者都出現了同樣的激增。
這暗示了地球大氣氧氣濃度的變化與地球磁場的變化之間存在著密切的聯絡。兩者的相關性在統計學上太強，難以將其簡單地歸結為偶然。那麼，這之間究竟發生了什麼呢？
遺憾的是，此次分析僅顯示了二者的相關性，無法明確因果關係。因此，必須考慮三種可能性：磁場變化導致氧氣濃度改變；或是氧氣變化導致磁場改變；最後是某種巨大的變化導致氧氣和磁場同時發生改變。
首先來看磁場變化導致氧氣濃度改變的可能性。事實上，中心恆星的狂暴活動會破壞周邊行星大氣的觀點已廣為人知。有計算表明，在比太陽更矮小但更狂暴的恆星身旁，僅在2500萬年間，相當於目前地球大氣總質量的大氣分子就會消失。因此，得益於地球磁場的增強，地球大氣層能夠更好地抵禦太陽風，氧氣從而有更多存留的可能性。
不過這一假說尚不完美。因為資料呈現的並非地球大氣分子的總量，而是其中氧氣的濃度變化。如果地球磁場的增長是保護大氣層的結果，那麼不僅是氧氣，整個大氣的總量也應該同步增加。因此，要證明這種因果關係，不僅要看氧氣濃度，還要核對古地球大氣壓等數值。遺憾的是，目前尚無明確的方法來追蹤古地球的大氣壓。也有可能由於磁場增強，陸地植物得以更長時間繁茂，從而導致氧氣濃度升高。如果是這樣，倒可以解釋為何大氣中唯獨氧氣濃度激增。但目前缺乏足夠的證據來支援這一假說。
那麼，因果關係是否可能從磁場指向氧氣，反過來亦然？大氣中氧氣濃度升高，其一部分也可能傳導至地下。在地球板塊分裂和移動的過程中，大氣中的氧氣經過海洋滲透進岩石和岩漿中，並傳導至地幔。透過這種連線天空、海洋和陸地的大規模迴圈，地幔的化學組成轉變為富氧環境。也就是說，地幔被氧化了。這種變化也有可能影響了地幔及其內部物質產生磁場的過程。但同樣，目前尚無明確的依據來證明這一機制。
有趣的是，在圖表中確認的磁場和氧氣同時暴漲的時期，在地理學上與另一個歷史時期重疊。這與過去地球陸地連為一體的超大陸“泛古陸”（Pangaea）開始分裂的時期相似。據推測，泛古陸正式開始解體的時間距今約2億至3億年前。而恰好就在這一時期，地球的磁場和氧氣都出現了類似的激增。這種接連不斷的巧合，讓人更加深入思考地質變化或許最終觸及了地球天空的可能性。
當然，這次發現也可能只是毫無意義的巧合。但如果地球磁場與氧氣之間確實存在密切的聯絡，那麼地球磁場就不僅僅是守護我們的保護傘，它還扮演了非常積極的角色，讓地球生命得以繁衍生息並呼吸生存。多虧了磁場，我們不必躲避強烈的太陽光躲進洞穴，而是能夠堂堂正正地走出室外；也多虧了磁場，我們才得以呼吸。
從這個角度來看，地球磁場產生的極光呈現出鮮豔的綠色，真是一個絕妙的巧合。今年夏天讓我們心動的極光之所以呈現出特別的綠色，正是因為氧氣。地球磁場使來自太陽的帶電粒子聚集在極地。這些攜帶高能量的粒子撞擊極地上層大氣的氧分子，獲得能量的氧分子便會發光。氧分子主要放射出綠色波長的光。這就是極光看起來呈綠色的原因。
事實上，從去年5月開始太陽就表現出了異樣。時隔許久再次噴發出最強級別的X級耀斑，恰逢太陽的日冕物質拋射席捲地球。因此，在平時難以看到極光的低緯度地區也觀測到了極光。當時在韓國江原道部分地區也捕捉到了微弱的極光。所以今年夏天，許多媒體才會對極光抱有期待。當然，這並不是說在韓國天空中能看到那種只有在挪威才能見到的華麗極光。無論天氣多麼晴朗，對於肉眼來說都是難以分辨的水平。
實際上，華麗的極光盛宴對天文學家來說有時反而是噩夢般的時刻。這意味著太陽十分狂暴，這可能會對現代人類文明中遍佈整個行星的電力基礎設施造成致命問題。尤其是對漂浮在大氣層之外的人造衛星來說是致命的。因此，韓國天文研究院也在時刻監測太陽活動並預報太空天氣。如今，我們生活在不僅要關注地球天空，還要在意1.5億公里之外太陽“脾氣”的時代。
為了安慰那些對今年夏天平淡無奇的極光感到失望的人們，太陽即將上演另一場“大事件”。在韓國能夠觀測到日全食的時刻正在臨近。2035年9月2日，完全遮住太陽的月影將精準地橫穿朝鮮半島。不過有一個小小的（？）問題，那就是日全食路徑大部分經過朝鮮地區。幸運的是，韓國地區也覆蓋了一個點，即江原道最北端的固城。
就像曾經只有江原道束草部分地區能玩《寶可夢GO》而導致大量人群湧入一樣，10年後會不會為了觀看日全食，無數遊客湧向固城呢？既然是韓國國內唯一能看到日全食的地區，對固城郡來說也將是舉辦地方自治團體活動的好機會。2035年9月2日，希望屆時天氣一定要好。
參考
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？喜愛貓咪和宇宙。童年時期看到《銀河鐵道999》後，立志傳播宇宙的美。目前擔任世宗大學自由專業學部教授，同時進行講座和寫作等各種科學傳播活動。著有《每天一片宇宙》、《星光璀璨的宇宙科學家們》、《雖然無法前往但可以瞭解》、《看到宇宙就會浮現的奇怪問題》等書籍，並翻譯了《給真正航行宇宙的搭便車者的指南》、《我為何殺死了冥王星》、《量子生活》、《宇宙影象（Cosmigraphics）》等作品。