В последние десятилетия исследования геофизики и климатологии всё глубже раскрывают взаимосвязи между внутренними процессами Земли и условиями на её поверхности. Одним из самых впечатляющих открытий стало обнаружение сильной корреляции между атмосферным уровнем кислорода и величиной геомагнитного диполя, или, проще говоря, силой магнитного поля нашей планеты за последние 540 миллионов лет. Эта взаимосвязь, открытая международной группой ученых, заставляет переосмыслить влияние глубинных процессов Земли на формирование и поддержание атмосферы и, как следствие, на возникновение и развитие жизни. Геомагнитное поле Земли формируется за счет движений в жидком металлическом ядре планеты, создавая так называемый геодинамо эффект. Это магнитное поле, которое всегда сопутствует нашей планете, выполняет важнейшую функцию защиты от губительного воздействия космической радиации и солнечного ветра.
Без этой защиты атмосфера Земли рисковала бы значительно деградировать, что нанесло бы серьёзный удар по условиям для существования живых организмов. Кислород, в концентрированной форме присутствующий в атмосфере, играет неоценимую роль в поддержании сложной жизни. Его накопление и динамика были обусловлены сложными биогеохимическими циклами, начиная с так называемого «Великого кислородного события» около 2,4 миллиарда лет назад. Однако детальные данные о том, как уровень кислорода изменялся с течением времени в более поздние периоды, относительно недавно получили дополнительное объяснение в связи с поведением геомагнитного поля. Палеомагнитные записи, полученные из геологических образцов, позволяют проследить историю изменения силы геомагнитного диполя.
С другой стороны, изучение геохимических индикаторов, таких как ископаемые остатки, свидетельства горения и соотношения изотопов, помогает определить уровень кислорода в атмосфере на протяжении миллионов лет. Объединив эти два исследовательских потока, ученые обнаружили параллельно протекающие тенденции — как минимум за последние полмиллиарда лет наблюдается линейный рост обеих величин, а также выраженный всплеск интенсивности в период от 330 до 220 миллионов лет назад. Детальный анализ статистических данных подтвердил, что взаимосвязь не случайна. Корреляция достигает максимума при отсутствии временного лага — это значит, что изменения в силе магнитного поля и уровне кислорода происходят практически синхронно. Более того, при фильтрации данных на высокочастотные колебания связь ослабевает, указывая на то, что влияние происходит на масштабах десятков и сотен миллионов лет.
Одним из ключевых вопросов остается механизм такого синхронного изменения. Одна из гипотез предполагает, что усиление геомагнитного поля способствует снижению потери кислорода из атмосферы за счет уменьшения влияния солнечного излучения и частиц солнечного ветра. Однако современные оценки потоков кислорода, уносимого в космос, слишком малы, чтобы объяснить значительные колебания концентрации кислорода только через влияние магнитного поля. Этого количества недостаточно по сравнению с объемами кислорода, участвующего в биогеохимических процессах, таких как вулканическая дегазация, биологическое производство и потребление. Другая, более убедительная, версия связана с глубинными геодинамическими процессами планеты.
Формирование внутреннего твердого ядра Земли, начало активного дифференцированного теплообмена в мантии и движения крупных тектонических плит отражаются и на поведении геодинамо, и на поверхности — в составе атмосферы и океанов. Установленный геомагнитный всплеск в период около 300 миллионов лет назад совпадает с образованием суперконтинента Пангея, который серьезно изменил тепловые потоки в глубинах Земли. Такой сдвиг мог ускорить процессы конвекции в ядре, усилив геомагнитное поле, а также повлиять на циклы выветривания и вулканизма, регулирующие поступление химических элементов и, соответственно, уровни кислорода в атмосфере. Суперконтинентальные циклы, наблюдаемые в геологическом прошлом, способны значительно изменять тепловую структуру коры и мантии, воздействуя тем самым на характер магнитного поля и биогеохимические циклы. Узкая связь между этими сложными процессами позволяет взглянуть на атмосферу и жизнь как на системы, сильно связанные с глубинной динамикой Земли, а не изолированными поверхностными явлениями.
Не менее важен вопрос о перспективе. Понимание взаимосвязи между магнитным полем и атмосферой позволяет оценить возможности существования жизни на других планетах и спутниках, где отсутствует сильное или постоянное геомагнитное поле. Например, исследование атмосферы Венеры и Марса показало, что без подобной защиты их атмосферы претерпели значительную деградацию. Это ставит особый акцент на роль геофизических процессов в поддержании пригодных для жизни условий. Требуется дальнейшее углубленное изучение, включая расширение временных рядов данных по геомагнитному диполю и кислороду, чтобы охватить более ранние периоды в истории Земли, а также повышение разрешающей способности данных для выявления более краткосрочных взаимодействий.
Современные компьютерные модели геодинамо и биогеохимии атмосферы могут помочь синтезировать данные и моделировать возможные сценарии, позволяя делать прогнозы о влиянии глобальных изменений на жизнеспособность планеты. Таким образом, открытие тесной связи между уровнем кислорода и силой геомагнитного поля за последние сотни миллионов лет — важное достижение, отражающее многогранность и взаимозависимость процессов, формирующих облик Земли. Эти результаты подчеркивают, что динамика ядра планеты и ее геологические события не только отвечают за магнитное поле, но и оказывают значительное влияние на атмосферу и, следовательно, на условия, в которых развивалась жизнь. Это знание расширяет горизонты науки о нашей планете и поддерживает надежду найти подобные процессы и признаки жизни за пределами Земли.
