Защитная атмосфера Земли защищала жизнь на протяжении миллиардов лет, создавая пристанище, где в ходе эволюции возникли сложные формы жизни, подобные нам. Озоновый слой играет решающую роль в защите биосферы от смертоносного ультрафиолетового излучения. Он блокирует 99% мощного ультрафиолетового излучения Солнца. Магнитосфера Земли также укрывает нас.
Но Солнце относительно ручное. Насколько эффективно озон и магнитосфера защищают нас от мощных взрывов сверхновых?
Каждый миллион лет — небольшая часть продолжительности жизни Земли в 4,5 миллиарда лет — массивная звезда взрывается в пределах 100 парсеков (326 световых лет) от Земли. Мы знаем это, потому что наша Солнечная система находится внутри огромного космического пузыря, называемого Местным пузырем. Это кавернозная область космоса, где плотность водорода намного ниже, чем за пределами пузыря. Серия взрывов сверхновых, произошедшая за предыдущие 10–20 миллионов лет, образовала пузырь.
Сверхновые опасны, и чем ближе к ней находится планета, тем смертоноснее ее последствия. Ученые размышляли о последствиях, которые взрывы сверхновых оказали на Землю, задаваясь вопросом, вызвало ли это массовое вымирание или, по крайней мере, частичное вымирание. Гамма-всплеск сверхновой и космические лучи могут истощить озон Земли и позволить ионизирующему ультрафиолетовому излучению достичь поверхности планеты. Эффекты также могут привести к образованию большего количества аэрозольных частиц в атмосфере, увеличению облачности и вызвать глобальное похолодание.
В новой исследовательской статье в журнале Nature Communications Earth and Environment рассматриваются взрывы сверхновых и их влияние на Землю. Он называется «Атмосфера Земли защищает биосферу от близлежащих сверхновых». Ведущий автор — Теодорос Кристудиас из Центра исследований климата и атмосферы Кипрского института, Никосия, Кипр.
Локальный пузырь — не единственное свидетельство существования поблизости сверхновых с коллапсом ядра (SNe) за последние несколько миллионов лет. Океанские отложения также содержат 60Fe — радиоактивный изотоп железа с периодом полураспада 2,6 миллиона лет. СНэ выгнать 60Fe улетело в космос, когда они взорвались, что указывает на то, что близлежащая сверхновая взорвалась около 2 миллионов лет назад. Есть также 60Fe в отложениях, что указывает на еще один взрыв сверхновой, произошедший около 8 миллионов лет назад.
Исследователи связали взрыв сверхновой с позднедевонским вымиранием около 370 миллионов лет назад. В одной статье исследователи обнаружили, что споры растений сгорают под воздействием ультрафиолетового света, что указывает на то, что что-то мощное истощило озоновый слой Земли. Фактически, биоразнообразие Земли сокращалось примерно за 300 000 лет до позднего девонского вымирания, что позволяет предположить, что свою роль могли сыграть множественные SNe.
Озоновый слой Земли находится в постоянном изменении. Когда его достигает УФ-энергия, она расщепляет молекулы озона (O3). Это рассеивает УФ-энергию, и атомы кислорода снова объединяются в O3. Цикл повторяется. Это упрощенная версия химии атмосферы, но она служит для иллюстрации цикла. Ближайшая сверхновая может нарушить цикл, истощив плотность озонового столба и позволив более смертоносному ультрафиолету достичь поверхности Земли.
Но в новой статье Кристудиас и его коллеги предполагают, что озоновый слой Земли гораздо более устойчив, чем предполагалось, и обеспечивает достаточную защиту от сверхновых звезд в пределах 100 парсеков. В то время как предыдущие исследователи моделировали атмосферу Земли и ее реакцию на ближайшую сверхновую, авторы говорят, что они улучшили эту работу.
Они смоделировали атмосферу Земли с помощью модели земных систем с химией атмосферы (EMAC), чтобы изучить влияние близлежащих взрывов сверхновых на атмосферу Земли. Авторы говорят, что с помощью EMAC они смоделировали «сложную динамику атмосферной циркуляции, химию и обратные связи процессов» атмосферы Земли. Они необходимы для «моделирования потери стратосферного озона в ответ на повышенную ионизацию, что приводит к ионно-индуцированному зародышеобразованию и росту частиц в CCN» (ядра конденсации облаков).
«Мы предполагаем наличие репрезентативной близлежащей сверхновой со скоростью ионизации ГКЛ (галактических космических лучей) в атмосфере, которая в 100 раз превышает нынешний уровень», — пишут они. Это коррелирует со взрывом сверхновой на расстоянии около 100 парсеков или 326 световых лет от нас.
«Максимальное разрушение озона над полюсами меньше современной антропогенной озоновой дыры над Антарктидой, что составляет потерю озонового столба на 60–70%», — поясняют авторы. «С другой стороны, в тропосфере наблюдается увеличение содержания озона, но оно находится в пределах уровней, возникших в результате недавнего антропогенного загрязнения».
Но давайте перейдем к делу. Мы хотим знать, безопасна ли биосфера Земли или нет.
Максимальное среднее разрушение стратосферного озона из-за ионизирующего излучения, в 100 раз превышающего нормальное, что характерно для близлежащей сверхновой, составляет около 10% в глобальном масштабе. Это примерно столько же, сколько вызывает наше антропогенное загрязнение. На биосферу это не сильно повлияет.
«Хотя такие изменения озона и значительны, маловероятно, что они окажут серьезное влияние на биосферу, особенно потому, что большая часть потери озона происходит в высоких широтах», — объясняют авторы.
Но это для современной Земли. В докембрийский период, до того, как жизнь взорвалась множеством форм, в атмосфере было всего около 2% кислорода. Как на это повлияет SN? «Мы смоделировали атмосферу с содержанием кислорода 2%, поскольку это, скорее всего, будет представлять собой условия, в которых зарождающаяся биосфера на суше по-прежнему будет особенно чувствительна к истощению озона», — пишут авторы.
«Потери озона составляют около 10–25% в средних широтах и на порядок ниже в тропиках», — пишут авторы. При минимальных уровнях озона на полюсах ионизирующее излучение сверхновой может фактически привести к увеличению озонового столба. «Мы приходим к выводу, что эти изменения атмосферного озона вряд ли оказали серьезное влияние на зарождающуюся биосферу на суше во время кембрия», — заключают они.
А как насчет глобального похолодания?
Глобальное похолодание усилится, но не до опасной степени. Над Тихим и Южным океанами CCN может увеличиться до 100%, что звучит очень много. «Эти изменения, хотя и имеют климатическое значение, сравнимы с контрастом между нетронутой доиндустриальной атмосферой и загрязненной современной атмосферой». Они говорят, что это охладит атмосферу примерно в той же степени, в какой мы ее сейчас нагреваем.
Исследователи отмечают, что их исследование касается всей биосферы, а не отдельных людей. «Наше исследование не учитывает прямые риски для здоровья людей и животных, возникающие в результате воздействия повышенного ионизирующего излучения», — пишут они. В зависимости от индивидуальных обстоятельств люди со временем могут подвергаться опасным уровням радиации. Но в целом биосфера будет продолжать работать, несмотря на 100-кратное увеличение УФ-излучения. Наша атмосфера и магнитосфера с этим справятся.
«В целом мы пришли к выводу, что близлежащая SNe вряд ли стала причиной массовых вымираний на Земле», — пишут авторы. «Мы приходим к выводу, что атмосфера и геомагнитное поле нашей планеты эффективно защищают биосферу от воздействия близлежащей сверхзвездной звезды, что позволило жизни развиваться на суше в течение последних сотен миллионов лет».
Это исследование показывает, что биосфера Земли не сильно пострадает, пока взрывы сверхновых будут держаться на расстоянии.
