В течение последних 540 миллионов лет концентрация кислорода и интенсивность магнитного поля Земли демонстрировали схожие изменения. Причины этой связи остаются неясными, поскольку ни один известный или гипотетический механизм не способен объяснить такую корреляцию. В случае подтверждения этой взаимосвязи, она может существенно пересмотреть понимание потенциала для развития сложной жизни на планетах, наиболее распространенных во Вселенной.
Международная группа ученых провела сопоставление интенсивности магнитного поля Земли в прошлом и содержания кислорода в атмосфере за соответствующие эпохи. Исследование, которое охватило период фанерозоя (последние 540 миллионов лет), опубликовали в журнале Science Advances.
Существовала взаимосвязь между магнитным полем и концентрацией кислорода в воздухе, равная 0,72. Хотя это и не является абсолютно точным показателем, он остается заметно высоким для систем, характеризующихся большим количеством переменных, к которым, безусловно, относится атмосфера и ее состав.
После устранения случайных колебаний в уровне кислорода, корреляция практически не изменилась. Это указывает не на случайность, а на наличие определенной закономерности. Однако, даже ученые испытывают затруднения в объяснении причин ее возникновения.
Магнитное поле, как предполагается, уменьшает потерю ионов кислорода в космическом пространстве. Однако, согласно расчетам, эта потеря в 200–2000 раз ниже, чем поступление кислорода в атмосферу за последние полмиллиарда лет. В связи с этим, исследователи выдвинули предположение о том, что этому явлению способствуют другие факторы.
Согласно теории, начальное затвердевание внутреннего ядра Земли способно как временно усиливать магнитное поле, так и инициировать геохимические процессы, которые могут привести к увеличению поступления кислородосодержащих газов на поверхность.
Увеличение конвекции в земном ядре, как предполагается, должно приводить к усилению геомагнитного динамо. Однако, авторы исследования также подчеркивают, что этот процесс не может протекать достаточно быстро, чтобы объяснить внезапное увеличение интенсивности магнитного поля (и уровня кислорода), произошедшее 220-330 миллионов лет назад. В тот период времени в атмосфере Земли наблюдался исключительно высокий уровень кислорода, который не встречается в наши дни.
Для объяснения этого периода исследователи высказали гипотезу о том, что формирование и разрушение суперконтинентов, таких как Пангея, могли оказывать влияние на поступление кислорода и формирование магнитного поля. Этот период называют Кайамский суперхрон обратной полярности магнитного поля (262-312 миллионов лет назад) может быть одним из проявлений этого процесса.
Предложенный в статье гипотетический механизм воздействия суперконтинентов связан с изменениями среднего теплового потока, направленного от недр планеты к ее поверхности. Отдача тепла через континентальные области земной коры происходит менее эффективно, чем через океанические. Создание обширной и единой суперконтинентальной «крышки» могло снизить теплоотдачу не только на поверхности планеты, но и, в конечном итоге, на границе ядра и мантии Земли.
Окисление горных пород на континентах протекает значительно быстрее, чем в океанической коре. Континенты также оказывают влияние на окислительно-восстановительные процессы на поверхности планеты через другие пути. Кроме того, ученые выдвигают предположения о том, что скорость раздвигания океанических плит земной коры может влиять на поступление содержащих кислород соединений из глубин планеты к ее поверхности. Однако конкретные механизмы, посредством которых это происходит, остаются невыясненными.
Несмотря на это, из более ранних исследований известно, что резкое снижение магнитного поля в конце эдиакарского периода приводило к быстрому увеличению концентрации кислорода. Объяснить, как это согласуется с обратной корреляцией, выявленной в новой работе, и предложенными авторами механизмами, пока не удается.
Согласно современным научным данным, значительная часть планет, находящихся в зоне обитаемости, располагается в системах с красными карликами. Их светимость значительно ниже солнечной, поэтому обитаемая зона располагается на значительно меньшем расстоянии от звезды. Это приводит к тому, что гравитация звезды замедляет вращение планеты и может привести к приливному захвату, при котором планета постоянно обращена к звезде одной стороной.
Некоторые исследователи полагают, что медленное вращение планеты приводит к быстрому ослаблению ее магнитного поля. Если авторы недавнего исследования верно определили взаимосвязь между содержанием кислорода в атмосфере и мощностью магнитного поля, то планетам с подобными характеристиками будет сложно достичь высокого уровня O2. Возможности развития сложной жизни при низком содержании этого газа в атмосфере представляются ограниченными.