Поразительное количество факторов и переменных привело к появлению планеты, которую мы занимаем сегодня, где жизнь находит способ выжить и даже процветать в самых маргинальных условиях. Солнце является катализатором всего этого, продвигая жизнь на пути к все большей сложности благодаря постоянному слиянию.
Но Солнце благосклонно только из-за встроенной защиты Земли — магнитосферы. И Солнце, и магнитосфера со временем менялись, причем сила каждого из них приходила в упадок. Солнце управляет мощной космической погодой, а магнитосфера защищает Землю.
Как эти два явления повлияли на обитаемость Земли?
Новое исследование рассматривает, как Солнце и магнитный щит Земли изменились с течением времени и как эти изменения повлияли на обитаемость нашей планеты. Его название — «Об обитаемости Земли в истории главной последовательности Солнца: совместное влияние космической погоды и эволюции магнитного поля Земли». Ведущий автор — Хакобо Варела, научный сотрудник Мадридского университета Карлоса III. Статья будет опубликована в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества.
Мы знаем о Солнце гораздо больше, чем даже несколько десятилетий назад. Солнечный зонд Паркер, Солнечная и гелиосферная обсерватория (SOHO), Обсерватория солнечной динамики (SDO) и другие космические аппараты в настоящее время интенсивно изучают ее. Мы знаем, что у Солнца 11-летний цикл и что оно иногда испускает мощные солнечные бури, которые могут вывести из строя электрооборудование на Земле.
Мы также многое знаем о магнитосфере Земли. Мы знаем, что вращающееся железное ядро планеты и его конвекционные потоки создают защитный магнитный щит, который блокирует большую часть опасного солнечного излучения, в то же время пропуская тепло. Мы знаем, что полюса Земли могут менять свое положение и что сила магнитосферы со временем менялась.
Как все эти факторы повлияли на обитаемость Земли?
Солнечный ветер Солнца (СВ) и межпланетное магнитное поле (ММП) в совокупности создают космическую погоду, а обитаемость зависит от того, как космическая погода взаимодействует с нашей магнитосферой. Без сильной магнитосферы Земля незащищена.
«Это означает, что космические погодные условия могут ввести ограничения на обитаемость Земли и
экзопланет с учетом защиты, обеспечиваемой планетарными магнитосферами, избегая стерилизующего воздействия звездного ветра на поверхность», — объясняют авторы.
Корональные выбросы массы (КВМ) оказывают наиболее разрушительное воздействие на магнитосферу Земли. Когда Солнце излучает мощный выброс КВМ, который поражает Землю, он временно деформирует магнитосферу Земли. Дневная сторона сжата, а ночная расширена. В большинстве случаев это приводит только к более мощным полярным сияниям — естественному световому шоу, которое достигает более низких широт, чем обычно.
Но это балансирование, которое не всегда сбалансировано. Раньше в истории Солнца оно вращалось быстрее и имело более мощную магнитную активность. Поскольку КВМ обусловлены поведением Солнца, включая вращение и магнетизм, в прошлом Солнце излучало более мощные КВМ. «Динамическое давление СВ и интенсивность ММП были гораздо выше на более ранних стадиях главной последовательности Солнца по сравнению с современными днями, — пишут авторы, — поэтому возмущения, наведенные молодым Солнцем в магнитосфере Земли, были сильнее».
Вопрос в том, как именно все это изменилось с течением времени и как это повлияло на обитаемость? Как это повлияет на него в будущем?
«Цель настоящего исследования — проанализировать обитаемость Земли на протяжении эволюции Солнца на главной последовательности», — поясняют авторы. Команда выполнила серию детальных симуляций, чтобы исследовать взаимодействие между Солнцем и Землей на протяжении миллиардов лет истории. Моделирование основано на устоявшихся научных моделях таких факторов, как сила СВ с течением времени.
Одной из вещей, которая меняется со временем, является сила магнитного поля Земли, измеряемая в микротеслах. Последние данные показывают, что он меняется в соответствии с 200-миллионным циклом. Изменения вызваны изменениями внутри Земли, где генерируется поле.
Авторы изучили, как менялась обитаемость Земли в периоды слабой, нормальной и высокой интенсивности диполярного магнитного поля.
У Земли также были периоды, когда менялась природа ее магнитного поля, а не только его интенсивность. Иногда на Земле случаются периоды времени, когда ее магнитное поле является многополярным, а не диполярным. Сила поля в это время также меняется, а когда она слабая, поле может изменить направление.
На рисунке ниже показаны некоторые данные, использованные в моделировании. Команда использовала модели для четырех различных диапазонов интенсивности магнитного поля Земли. Они показаны в двух столбцах с надписью «Диполь» под столбцом палеомагнитных данных и столбцом модели поля Земли B.
Земля испытывала низкую интенсивность поля на протяжении всего протерозоя, а также в кембрийском, деновском и каменноугольном периодах палеозойской эры. Низкая интенсивность поля наблюдалась также в триасовом периоде и в мезозое. Это время соответствует моделям всего с 5 микротеслами (показаны красным).
Немного более сильные периоды в 15 микротесла имели место в палеоархейскую и мезоархейскую эры, протерозойскую эону, юрский период в мезозойскую эру и палеогеновый период в кайнозойскую эру. Они показаны оранжевым цветом под столбцами «Диполь».
«Дипольная модель с 30 мкТл иллюстрирует мезопротерозойскую и неоархейскую эпохи, а также неогеновый и четвертичный периоды меловой эпохи», — поясняют авторы. Это время показано розовым цветом.
Сила магнитного поля Земли была самой высокой в первые дни ее существования. «Дипольная модель с 45 мкТл представляет периоды сильного поля во время гадейского эона и эо-архейской эры», — пишут авторы. Они показаны фиолетовым цветом.
Так что же все это значит?
Важнейшей частью этой работы является расстояние отступа магнитопаузы. Это расстояние сжимается более энергичными солнечными ветрами и увеличивается, когда магнитная сила Земли выше. На рисунке выше (а) расстояние между магнитопаузой значительно меньше, чем (d), когда напряженность магнитного поля выше.
Во времена мощных солнечных ветров и более слабого магнетизма расстояние между магнитопаузой оказывается ближе к поверхности Земли, а это означает, что Солнце представляет угрозу для жизни. Если это расстояние сократится до нуля, то есть солнечное излучение сможет напрямую достигать поверхности, то обитаемость Земли резко уменьшится.
«Мы приходим к выводу, что влияние космической погоды на обитаемость Земли следует рассматривать как важный фактор эволюции атмосферы и жизни», — пишут авторы. (Обратите внимание, что английский не является родным языком авторов и что их синтаксис отражает это. Тем не менее, смысл ясен.)
Исследование показывает, как космическая погода и сила магнитного поля Земли менялись с течением времени и способствовали обитаемости или затрудняли обитаемость. Это показывает, в частности, что, когда Земля находится в многополюсной конфигурации до смены полюсов, мы более восприимчивы к космической погоде. Последняя смена полюсов произошла около 780 000 лет назад, и магнитный щит был ослаблен. Разворот может занять сотни или даже тысячи лет. Мы по-прежнему защищены во время разворотов, но не так хорошо. Если в это время произойдет мощный КВМ, это может спровоцировать мощную геомагнитную бурю.
В отдаленном будущем диполь Земли ослабнет. Его геодинамо исчезнет, как и у Марса. Планета будет менее способна противостоять солнечному излучению, и ее обитаемость перестанет быть. В конце концов, последующие ICME ударят по поверхности, нанося ущерб биосфере Земли. Со временем даже относительно слабый солнечный ветер достигнет поверхности, и Земля будет постоянно купаться в радиации.
Но на данный момент у нас все в порядке. Мы можем заниматься своими делами, медленно ухудшая обитаемость Земли без какой-либо помощи.
