Рідкісні вибухи Сонця можуть зруйнувати озоновий шар на Землі

Дивовижне полярне сяйво на початку травня цього року продемонструвало силу, яку сонячні бурі можуть випромінювати у вигляді радіації, але час від часу сонце робить щось набагато руйнівніше. Відомі як «події сонячних частинок», ці вибухи протонів безпосередньо з поверхні Сонця можуть вистрілювати в космос, як прожектор.

Записи показують, що приблизно кожну тисячу років на Землю вражає екстремальна сонячна подія, яка може завдати серйозної шкоди озоновому шару та збільшити рівень ультрафіолетового (УФ) випромінювання на поверхні. Ми проаналізували, що відбувається під час такої екстремальної події, у  статті, опублікованій у понеділок (1 липня). Ми також показуємо, що в часи, коли магнітне поле Землі слабке, ці події можуть мати драматичний вплив на життя на всій планеті.

Критичний магнітний щит Землі

Магнітне поле Землі забезпечує важливий захисний кокон для життя, відхиляючи електрично заряджене випромінювання від сонця. У нормальному стані він функціонує як гігантський стрижневий магніт із силовими лініями, що піднімаються від одного полюса, петляють навколо, і занурюються назад на іншому полюсі, за зразком, який іноді описують як «перевернутий грейпфрут». Вертикальна орієнтація на полюсах дозволяє іонізуючому космічному випромінюванню проникати аж до верхніх шарів атмосфери, де воно взаємодіє з молекулами газу, створюючи світіння, яке ми знаємо як полярне сяйво.

Проте з часом сфера дуже сильно змінюється. У минулому столітті північний магнітний полюс блукав по Північній Канаді зі швидкістю близько 40 кілометрів на рік, і поле ослабло  більш ніж на 6% . Геологічні записи показують, що були періоди століть або тисячоліть, коли геомагнітне поле було дуже слабким або навіть зовсім відсутнім.Ми можемо побачити, що було б без магнітного поля Землі, дивлячись на Марс, який втратив своє глобальне магнітне поле в давньому минулому, і, як наслідок, більшу частину своєї атмосфери. У травні, незабаром після полярного сяйва, на  Марс вдарила сильна сонячна подія. Це порушило роботу  космічного корабля Mars Odyssey  і призвело до того, що рівень радіації на поверхні Марса приблизно в 30 разів перевищив рівень радіації під час рентгенографії грудної клітки.

Сила протонів

Зовнішня атмосфера Сонця випускає постійний коливальний потік електронів і протонів, відомий як «сонячний вітер». Однак поверхня Сонця також спорадично випромінює спалахи енергії, переважно протони, у подіях сонячних частинок, які часто пов’язують із сонячними спалахами.

Протони набагато важчі за електрони і несуть більше енергії, тому вони досягають менших висот в атмосфері Землі, збуджуючи молекули газу в повітрі. Однак ці збуджені молекули випромінюють лише рентгенівські промені, які невидимі неозброєним оком.

Сотні слабких сонячних частинок відбуваються кожен сонячний цикл (приблизно 11 років), але вчені знайшли сліди набагато сильніших подій протягом історії Землі. Деякі з найбільш екстремальних були в тисячі разів сильніші, ніж будь-що, записане за допомогою сучасних інструментів.

Екстремальні події сонячних частинок

Ці екстремальні явища сонячних частинок відбуваються  приблизно кожні кілька тисячоліть. Останній відбувся приблизно в 993 році нашої ери, і його використовували, щоб показати, що будівля вікінгів у Канаді використовувалася  з деревини, зрубаної в 1021 році нашої ери.

Менше озону, більше радіації

Окрім безпосереднього ефекту, події сонячних частинок також можуть запустити ланцюжок хімічних реакцій у верхніх шарах атмосфери, які можуть призвести до руйнування озону. Озон поглинає шкідливе сонячне ультрафіолетове випромінювання, яке може пошкодити зір, а також ДНК (підвищуючи ризик раку шкіри), а також впливати на клімат.

У нашому  новому дослідженні ми використали великі комп’ютерні моделі глобальної хімії атмосфери, щоб дослідити вплив екстремальної сонячної частки.

Ми виявили, що така подія може призвести до виснаження рівня озону на рік або близько того, підвищуючи рівень ультрафіолетового випромінювання на поверхні та посилюючи пошкодження ДНК. Але якби подія сонячних протонів прибула в період, коли магнітне поле Землі було дуже слабким, то пошкодження озоном тривало б шість років, збільшуючи рівень ультрафіолетового випромінювання на 25% і підвищуючи швидкість пошкодження ДНК, спричиненого сонячними променями, до 50%.

Вибухи часток з минулого

Наскільки ймовірна ця смертоносна комбінація слабкого магнітного поля та екстремальних сонячних протонних подій? З огляду на те, як часто кожен із них трапляється, цілком імовірно, що вони трапляються разом відносно часто. Насправді ця комбінація подій може пояснити кілька загадкових подій у минулому Землі.

Останній період слабкого магнітного поля, включаючи тимчасове перемикання північного та південного полюсів, почався 42 000 років тому і тривав близько 1000 років. Приблизно в цей час відбулося кілька великих еволюційних подій, таких як зникнення останніх неандертальців у Європі та  вимирання мегафауни сумчастих,  включаючи  гігантських вомбатів і кенгуру в Австралії.

Ще більша еволюційна подія також була пов’язана з геомагнітним полем Землі. Походження багатоклітинних тварин наприкінці едіакарського періоду (з 565 мільйонів років тому), зафіксоване у  скам’янілостях у хребті Фліндерс у Південній Австралії, відбулося після 26-мільйонного періоду  слабкого магнітного поля або його відсутності.

Подібним чином швидка еволюція різноманітних груп тварин під час кембрійського вибуху (приблизно 539 мільйонів років тому) також була пов’язана з геомагнетизмом і високим рівнем ультрафіолетового випромінювання. Одночасна еволюція очей і твердих оболонок тіла в кількох непов’язаних групах була  описана  як найкращий спосіб як виявити, так і уникнути шкідливих вхідних УФ-променів у «втечі від світла».