附近的超新星爆炸会威胁到地球上的生命吗?

数十亿年来,地球的保护性大气层一直庇护着生命,创造了一个避风港,进化产生了像我们这样的复杂生命形式。

臭氧层在保护生物圈免受致命的紫外线辐射方面起着关键作用。它阻挡了太阳99%的强大紫外线输出。地球的磁层也为我们提供庇护。

但太阳相对温和。臭氧层和磁层在保护我们免受强大的超新星爆炸的伤害方面有多有效?

每百万年——地球 45 亿年寿命的一小部分——一颗大质量恒星就会在距离地球 100 秒差距(326 光年)的范围内爆炸。我们之所以知道这一点,是因为我们的太阳系位于太空中一个巨大的气泡内,称为本地气泡.

这是一个海绵状的空间区域,氢密度远低于气泡外。在过去的1000万到2000万年中,一系列超新星爆炸形成了这个气泡。

超新星是危险的,一颗行星离超新星越近,它的影响就越致命。科学家们推测了超新星爆炸对地球的影响,想知道它是否引发了大规模灭绝或至少部分灭绝。

超新星的伽马射线暴和宇宙射线会消耗地球的臭氧,并使电离紫外线辐射到达地球表面。这些效应还会在大气中产生更多的气溶胶颗粒,增加云层覆盖并导致全球变冷。

一篇新的研究文章自然 通讯 地球与环境研究超新星爆炸及其对地球的影响。它的标题是”地球大气层保护生物圈免受附近超新星的影响。"

主要作者是来自塞浦路斯尼科西亚塞浦路斯研究所气候与大气研究中心的Theodoros Christoudias。

局部气泡并不是过去几百万年中附近核心坍缩超新星(SNe)的唯一证据。海洋沉积物还含有60铁,铁的放射性同位素,半衰期为260万年。

SNe 驱逐60当它们爆炸时,Fe进入太空,表明附近的一颗超新星在大约200万年前爆炸。还有60沉积物中的铁表明大约800万年前的另一次SN爆炸。

这张来自研究文章的图表显示了附近超新星对大气和气候的潜在影响。伽马射线会消耗臭氧,使更多的紫外线辐射到达地球表面。一些紫外线辐射是电离的,这意味着它会破坏DNA。宇宙射线还可以产生更多的凝结核,这意味着更多的云层和潜在的全球冷却。(Christoudias 等人,2024 年)

研究人员将SN爆炸与晚泥盆世灭绝大约3.7亿年前。在一篇论文中,研究人员发现植物孢子被紫外线灼伤,这表明某种强大的东西耗尽了地球的臭氧层.

事实上,在晚泥盆世灭绝之前,地球的生物多样性下降了大约30万年,这表明多个SNe可能发挥了作用。

地球的臭氧层在不断变化。当紫外线能量到达它时,它会分解臭氧分子 (O3)。这消散了紫外线能量,氧原子再次结合成 O3。循环往复。

这是所涉及的大气化学的简化版本,但它有助于说明循环。附近的超新星可能会压倒这个循环,耗尽臭氧柱的密度,并允许更致命的紫外线到达地球表面。

但在这篇新论文中,Christoudias和他的同事们认为,地球的臭氧层比想象的要有弹性得多,并且在100秒差距内提供了足够的SNe保护。

虽然以前的研究人员已经模拟了地球的大气层及其对附近SN的反应,但作者说他们已经改进了这项工作。

他们使用具有大气化学的地球系统模型(EMAC)模型模拟了地球大气层,以研究附近SNe爆炸对地球大气层的影响。

作者说,使用EMAC,他们已经模拟了地球大气层的“复杂的大气环流动力学,化学和过程反馈”。

这些需要“模拟平流层臭氧损失,以响应电离升高,导致离子诱导的成核和颗粒生长为CCN”(云凝结核)。

他们写道:“我们假设附近有一个具有代表性的SN,其大气中的GCR(银河宇宙射线)电离率是现有水平的100倍。这与大约100秒差距或326光年外的超新星爆炸有关。

研究信中的这些面板显示,臭氧柱百分比从GCR强度比标称值增加100倍开始下降。左纵轴表示地球的纬度,x轴表示一年中的时间。由于地球磁层的影响,两极的臭氧损失更为明显,而地球磁层的强度较弱。a 是现代地球,而 b 代表前寒武纪只有 2% 氧气的古代地球。(Christoudias 等人,2024 年)

作者解释说:“两极上空的最大臭氧消耗量小于目前南极洲上空的人为臭氧空洞,这相当于臭氧柱损失60-70%。

“另一方面,对流层中的臭氧有所增加,但它完全在最近人为污染造成的水平之内。

但是,让我们切入正题。我们想知道地球的生物圈是否安全。

全球电离辐射比正常水平高出100倍的最大平均平流层臭氧消耗量约为10%。这与我们的人为污染造成的减少量大致相同。它不会对生物圈产生太大影响。

“虽然意义重大,但这种臭氧变化不太可能对生物圈产生重大影响,特别是因为大部分臭氧损失发生在高纬度地区,”作者解释说。

但那是针对现代地球的。在前寒武纪时期,在生命以多种形式爆发之前,大气中只有大约2%的氧气。SN将如何影响这一点?

“我们模拟了2%的氧气大气,因为这可能代表了陆地上新兴生物圈仍然对臭氧消耗特别敏感的条件,”作者写道。

“中纬度地区的臭氧损失约为10-25%,热带地区则低一个数量级,”作者写道。在两极的最低臭氧水平下,来自SN的电离辐射实际上最终可能会增加臭氧柱。

“我们得出的结论是,大气臭氧的这些变化不太可能对寒武纪期间陆地上新兴的生物圈产生重大影响,”他们总结道。

全球变冷呢?

全球降温将会增加,但不会达到危险的程度。在太平洋和南大洋上空,CCN可能会增加100%,这听起来很多。“这些变化虽然与气候有关,但与原始工业化前的大气和当今受污染的大气之间的对比相当。

他们说它能使大气冷却的量与我们现在加热的大气量大致相同。

该研究的这两块面板有助于说明附近SN的全球冷却效应,使地球暴露在100倍以上的电离辐射下。b 显示了 CCN 相对于当前情况的分数变化。D显示了由于云反照率增加而相对于现在的出射太阳辐射的分数变化。(Christoudias 等人,2024 年)

研究人员指出,他们的研究涉及整个生物圈,而不是个人。“我们的研究没有考虑暴露于升高的电离辐射对人类和动物造成的直接健康风险,”他们写道。

根据个人情况,随着时间的推移,个人可能会暴露于危险水平的辐射中。但总的来说,尽管紫外线辐射增加了100倍,但生物圈仍然会嗡嗡作响。我们的大气层和磁层可以处理它。

“总的来说,我们发现附近的SNe不太可能导致地球上的大规模灭绝,”作者写道。

“我们得出的结论是,我们星球的大气层和地磁场有效地保护了生物圈免受附近SNe的影响,这使得生命在过去数亿年中在陆地上进化。

这项研究表明,只要超新星爆炸保持距离,地球的生物圈就不会受到太大影响。

本文最初发表于今天的宇宙.阅读原文.

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