Чи можуть вибухи наднової загрожувати життю на Землі?

Захисна атмосфера Землі захищала життя протягом мільярдів років, створюючи притулок, де еволюція створила такі складні форми життя, як ми. Озоновий шар відіграє вирішальну роль у захисті біосфери від смертоносного УФ-випромінювання. Він блокує 99% потужного ультрафіолетового випромінювання Сонця. Магнітосфера Землі також дає нам притулок.

Але Сонце відносно ручне. Наскільки ефективно озон і магнітосфера захищають нас від потужних вибухів наднових?

Кожні мільйон років – невелику частину 4,5 мільярдів років життя Землі – масивна зірка вибухає в межах 100 парсек (326 світлових років) від Землі. Ми знаємо це, тому що наша Сонячна система знаходиться всередині масивної бульбашки в космосі, яка називається локальною бульбашкою.

Це кавернозна область простору, де щільність водню набагато нижча, ніж за межами бульбашки. Серія вибухів наднових за попередні 10-20 мільйонів років вирізала цю бульбашку. Наднові зірки небезпечні, і чим ближче планета до них, тим смертельніші наслідки. Вчені припускають наслідки вибухів наднових на Землі, цікавлячись, чи спровокували це масові або принаймні часткові вимирання.

Спалах гамма-випромінювання наднової зірки та космічні промені можуть руйнувати озон Землі та дозволяти іонізуючому ультрафіолетовому випромінюванню досягати поверхні планети. Ефект також може створити більше аерозольних частинок в атмосфері, збільшуючи хмарне покриття та викликаючи глобальне похолодання.

Нова дослідницька стаття в журналі Nature Communications Earth and Environment розглядає вибухи наднових і їхній вплив на Землю. Він називається «Атмосфера Землі захищає біосферу від найближчих наднових». Провідним автором є Теодорос Хрістудіас з Центру дослідження клімату та атмосфери Кіпрського інституту, Нікосія, Кіпр.

Місцевий міхур — не єдиний доказ наднових зірок, що спадають поблизу (SNe) за останні кілька мільйонів років. Океанічні відкладення також містять ⁶⁰ Fe, радіоактивний ізотоп заліза з періодом напіврозпаду 2,6 мільйона років.

SNe викидають ⁶⁰ Fe у космос, коли вони вибухають, що вказує на те, що наднова вибухнула поблизу близько 2 мільйонів років тому. У відкладах також є ⁶⁰ Fe, що вказує на інший вибух SN приблизно 8 мільйонів років тому.

Дослідники пов’язали вибух SN із пізнім девонським вимиранням приблизно 370 мільйонів років тому. В одній статті дослідники виявили спори рослин, спалені УФ-промінням, що свідчить про те, що щось потужне виснажило озоновий шар Землі.

Насправді біорізноманіття Землі скоротилося приблизно за 300 000 років до пізнього девонського вимирання, що свідчить про те, що численні SNe могли зіграти певну роль. Озоновий шар Землі постійно змінюється. Коли УФ-енергія досягає його, вона розбиває молекули озону (O3). Це розсіює УФ-енергію, а атоми кисню знову об’єднуються в O3. Цикл повторюється.

Це спрощена версія атмосферної хімії, але вона служить для ілюстрації циклу. Найближча наднова може перекрити цикл, зменшивши щільність озонового стовпа та дозволивши більшому смертоносному ультрафіолету досягти поверхні Землі. Але в новій статті Крістоудіас та його колеги-автори припускають, що озоновий шар Землі набагато стійкіший, ніж вважалося, і забезпечує достатній захист від SNe в межах 100 парсек.

У той час як попередні дослідники моделювали атмосферу Землі та її реакцію на СН поблизу, автори кажуть, що вони вдосконалили цю роботу. Вони змоделювали атмосферу Землі за допомогою моделі Earth Systems Model with Atmospheric Chemistry (EMAC), щоб вивчити вплив вибухів SNe поблизу на атмосферу Землі.

Використовуючи EMAC, автори кажуть, що вони змоделювали «складну динаміку атмосферної циркуляції, хімію та зворотні процеси» земної атмосфери. Вони необхідні для «симуляції втрати озону в стратосфері у відповідь на підвищену іонізацію, що призводить до індукованого іонами зародження і росту частинок до CCN» (ядра конденсації хмар).

«Ми припускаємо репрезентативну найближчу SN зі швидкістю іонізації GCR (галактичних космічних променів) в атмосфері, яка в 100 разів перевищує нинішній рівень», — пишуть вони. Це співвідноситься з вибухом наднової на відстані близько 100 парсек або 326 світлових років від нас.

«Максимальне руйнування озонового шару над полюсами менше, ніж сучасна антропогенна озонова діра над Антарктидою, що становить втрату озонового стовпа на 60–70%», — пояснюють автори.

«З іншого боку, спостерігається збільшення озону в тропосфері, але воно знаходиться в межах рівня, отриманого в результаті нещодавнього антропогенного забруднення».

Але давайте перейдемо до справи. Ми хочемо знати, чи безпечна біосфера Землі, чи ні.

Максимальне середнє руйнування озонового шару в стратосфері через іонізуюче випромінювання, яке у 100 разів перевищує норму, що є репрезентативним для найближчої SN, становить близько 10% у всьому світі. Це приблизно таке ж зменшення, як і наше антропогенне забруднення. Це не сильно вплине на біосферу.

«Незважаючи на значні, малоймовірно, що такі зміни озону матимуть серйозний вплив на біосферу, особливо тому, що більшість втрат озону відбувається у високих широтах», — пояснюють автори.

Але це для сучасної Землі. У докембрійському періоді, до того, як життя вибухнуло в розмноженні форм, атмосфера мала лише близько 2% кисню. Як SN вплине на це?

«Ми змоделювали атмосферу з вмістом кисню у 2%, оскільки це, ймовірно, представляло б умови, коли біосфера, що виникає на суші, все ще була б особливо чутливою до виснаження озонового шару», – пишуть автори.

«Втрата озону становить близько 10–25% у середніх широтах і на порядок нижче в тропіках», — пишуть автори. За мінімальних рівнів озону на полюсах іонізуюче випромінювання від SN може призвести до збільшення озонового стовпа.

«Ми прийшли до висновку, що ці зміни атмосферного озону навряд чи мали серйозний вплив на формування біосфери на суші в кембрійському періоді», – підсумовують вони.

А як щодо глобального похолодання?

Глобальне похолодання збільшиться, але не до небезпечної міри. Над Тихим і Південним океанами CCN може збільшитися до 100%, що звучить як багато. «Ці зміни, незважаючи на кліматичну значимість, можна порівняти з контрастом між незайманою доіндустріальною атмосферою та забрудненою сучасною атмосферою».

Вони кажуть, що це охолодить атмосферу приблизно на стільки ж, скільки ми нагріваємо її зараз.

Дослідники зазначають, що їх дослідження стосується всієї біосфери, а не окремих людей. «У нашому дослідженні не враховуються прямі ризики для здоров’я людей і тварин внаслідок впливу підвищеної іонізуючої радіації», – пишуть вони.

Залежно від індивідуальних обставин люди можуть з часом піддаватися впливу небезпечних рівнів радіації. Але загалом, біосфера буде гудіти, незважаючи на 100-кратне збільшення УФ-випромінювання. Наша атмосфера і магнітосфера можуть це впоратися.

«Загалом ми виявили, що SNe, розташовані поблизу, навряд чи спричинили масові вимирання на Землі», — пишуть автори.

«Ми робимо висновок, що атмосфера та геомагнітне поле нашої планети ефективно захищають біосферу від впливу сусіднього SNe, що дозволило життю розвиватися на суші протягом останніх сотень мільйонів років».

Це дослідження показує, що біосфера Землі не постраждає, доки вибухи наднових тримаються на відстані.