Майбутнє життя Землі залежить від нашого захисту від космічної погоди

Дивовижна кількість факторів і змінних привела до появи планети, яку ми займаємо сьогодні, де життя знаходить спосіб виживати і навіть процвітати в самих маргінальних умовах. Сонце є каталізатором для всього цього, рухаючи життя на його шляху до більшої складності завдяки своєму стабільному синтезу.

Але Сонце є м’яким лише через вбудований захист Землі, магнітосферу. І Сонце, і магнітосфера змінювалися з часом, причому сила кожного з них зменшувалася. Сонце впливає на потужну космічну погоду, а магнітосфера захищає Землю.

Як ці два явища вплинули на придатність Землі до життя?

Нове дослідження розглядає, як Сонце та магнітний щит Землі змінювалися з часом і як ці зміни вплинули на придатність нашої планети до життя. Його назва: «Про придатність Землі для проживання в історії головної послідовності Сонця: спільний вплив космічної погоди та еволюції магнітного поля Землі». Провідним автором є Якобо Варела, дослідник Мадридського університету Карлоса III. Стаття буде опублікована в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society і наразі доступна на сервері препринтів arXiv.

Ми знаємо про сонце набагато більше, ніж навіть кілька десятиліть тому. Сонячний зонд Parker, Сонячна та геліосферна обсерваторія (SOHO), Обсерваторія сонячної динаміки (SDO) та інші космічні апарати зараз інтенсивно вивчають його. Ми знаємо, що Сонце має 11-річний цикл і що воно іноді випромінює потужні сонячні бурі, які можуть вивести з ладу електричне обладнання на Землі.

Ми також багато знаємо про магнітосферу Землі. Ми знаємо, що обертове залізне ядро ​​планети та його конвекційні потоки створюють захисний магнітний екран, який блокує більшу частину небезпечного сонячного випромінювання, пропускаючи при цьому тепло. Ми знаємо, що полюси Землі можуть змінювати положення та що сила магнітосфери змінюється з часом.

Як усі ці фактори вплинули на придатність Землі до життя?

Сонячний вітер (SW) і міжпланетне магнітне поле (IMF) разом створюють космічну погоду, і придатність для проживання залежить від того, як космічна погода взаємодіє з нашою магнітосферою. Без сильної магнітосфери Земля незахищена.

«Це означає, що умови космічної погоди можуть вводити обмеження на придатність для життя Землі та екзопланет щодо екранування, яке забезпечують планетарні магнітосфери, уникаючи стерилізаційного ефекту зоряного вітру на поверхні», — пояснюють автори.

Корональні викиди маси (CME) мають найбільший руйнівний вплив на магнітосферу Землі. Коли сонце випромінює потужний CME, який вдаряє на Землю, це тимчасово деформує магнітосферу Землі. Денна сторона стиснута, а нічна розширена. У більшості випадків це призводить лише до більш потужних полярних сяйв, природного світлового шоу, яке досягає нижчих широт, ніж зазвичай.

Але це балансування, яке не завжди є збалансованим. Раніше в історії сонця воно оберталося швидше і мало потужнішу магнітну активність. Оскільки CME обумовлені поведінкою сонця, включаючи обертання та магнетизм, сонце випромінювало більш потужні CME у минулому. «Динамічний тиск СВ та інтенсивність ММП були набагато вищими на ранніх стадіях головної послідовності Сонця порівняно з сучасними, — пишуть автори, — отже, збурення, викликані молодим сонцем на магнітосферу Землі, були сильнішими».

Питання в тому, як саме все це змінилося з часом і як це вплинуло на придатність для проживання? Як це вплине на це в майбутньому?

«Мета цього дослідження полягає в тому, щоб проаналізувати придатність Землі для проживання в ході еволюції Сонця в головній послідовності», — пояснюють автори. Команда провела серію детальних симуляцій, щоб дослідити взаємодію між Сонцем і Землею протягом мільярдів років історії. Моделювання ґрунтується на встановлених наукових моделях таких факторів, як сила ПЗ у часі.

Однією з речей, яка змінюється з часом, є напруженість магнітного поля Землі, яка вимірюється в мікротеслах. Останні дані показують, що він змінюється відповідно до 200-мільйонного циклу. Зміни викликані змінами всередині Землі, де генерується поле.

Автори досліджували, як змінювалася придатність для життя Землі в періоди слабкої, нормальної та високої інтенсивності диполярного магнітного поля. У Землі також були періоди, коли змінювалася природа її магнітного поля, а не лише його інтенсивність. Іноді на Землі бувають періоди часу, коли її магнітне поле є мультиполярним, а не диполярним. Потужність поля також змінюється в цей час, і коли вона слабка, поле може змінитися.

На малюнку нижче показано деякі дані, використані в моделюванні. Команда використовувала моделі для чотирьох різних діапазонів інтенсивності магнітного поля Землі. Вони показані у двох стовпцях із позначкою «Диполь» під стовпцем палеомагнітних даних і стовпцем моделі поля Землі B. Земля відчувала низьку інтенсивність поля протягом протерозойського еону та протягом кембрійського, деновського та кам’яновугільного періодів у палеозойську еру. У тріасовому періоді під час мезозою була також низька інтенсивність поля. Ці часи відповідають моделям лише з 5 мікротесла, показаним червоним.

Трохи сильніші 15 мікротесла періоди відбулися під час палео-архейської та мезо-архейської ери, протерозойського еону, юрського періоду в мезозойську еру та палеогенового періоду в кайнозойську еру. Вони показані помаранчевим кольором під колонками диполя.

«Дипольна модель з 30 мкТл ілюструє мезо-протерозойську та неоархейську ери, а також неогеновий та четвертинний періоди крейдяної ери», — пояснюють автори. Ці часи показані рожевим кольором.

Напруженість магнітного поля Землі була найсильнішою в перші дні. «Дипольна модель з 45 мкТл представляє періоди високого поля під час Гадейського еону та ео-архейської ери», — пишуть автори. Вони показані фіолетовим кольором.

Отже, що це все додає?

Важливою частиною цієї роботи є відстань магнітопаузи. Ця відстань стискається більш енергійними сонячними вітрами та розширюється, коли магнітна сила Землі вища. На малюнку вище (a) має значно меншу відстань магнітопаузи, ніж (d), коли напруженість магнітного поля вища.

Під час потужних сонячних вітрів і слабшого магнетизму відстань магнітопаузи знаходиться ближче до поверхні Землі, що означає, що Сонце становить загрозу для життя. Якщо ця відстань зменшується до нуля, тобто сонячне випромінювання може потрапляти безпосередньо на поверхню, то придатність для життя Землі значно зменшується.

«Ми робимо висновок, що вплив космічної погоди на життєздатність Землі слід розглядати як важливий рушій еволюції атмосфери та життя», — пишуть автори. (Зверніть увагу, що англійська мова не є рідною мовою авторів, і їхній синтаксис це відображає. З усім тим, значення зрозуміле.)

Дослідження показує, як космічна погода та напруженість магнітного поля Землі змінювалися з часом і сприяли або ускладнювали проживання. Це, зокрема, показує, що коли Земля перебуває в мультипольній конфігурації до зміни полюсів, ми більш чутливі до космічної погоди. Остання зміна полюсів відбулася приблизно 780 000 років тому, і магнітний щит був ослаблений. Скасування може зайняти сотні або навіть тисячі років. Ми все ще захищені під час розворотів, але не так добре. Якщо потужний CME вдарить у цей час, це може спровокувати потужну геомагнітну бурю.

У далекому майбутньому диполь Землі ослабне. Його геодинамо згасне, як і на Марсі. Планета стане менш здатною протистояти випромінюванню сонця, і придатною для життя перестане бути. Згодом послідовні ICME вразять поверхню, сіючи хаос у біосфері Землі. Згодом навіть відносно слабкий сонячний вітер досягне поверхні, і Земля буде постійно купатися в радіації.

Але поки що у нас все гаразд. Ми можемо зайнятися своєю справою, повільно погіршуючи придатність для життя Землі без сторонньої допомоги. Джерело