Атмосфера Землі захищала життя протягом мільярдів років, що уможливило появу притулку, де еволюція створила такі складні форми життя, як ми. Озоновий шар відіграє вирішальну роль у захисті біосфери від смертоносного ультрафіолетового випромінювання. Він блокує 99% потужного УФ-випромінювання Сонця. Магнітосфера Землі також захищає нас від його сильного випромінювання. Але Сонце відносно спокійне. Як ефективно озон і магнітосфера захищають нас від потужних вибухів наднових?

Кожні мільйон років — невелику частину 4,5 мільярдів років існування Землі — масивна зоря вибухає в межах 100 парсек (326 світлових років) від Землі. Ми знаємо це, бо Сонячна система міститься всередині масивного космічного пузиря, який називають місцевим чи локальним пузирем. Це порожниста ділянка космічного простору, де щільність водню набагато нижча, ніж за межами пузиря. Серія вибухів наднових за попередні 10—20 мільйонів років вирізала цього пузиря.

Наднові зорі небезпечні, і що ближче планета до них, то більш смертельними є наслідки. Науковці намагаються зрозуміти наслідки вибухів наднових для Землі, цікавлячись, чи спровокувало це масові або принаймні часткові вимирання. Спалах гамма-випромінювання наднової зорі та космічні промені можуть руйнувати озоновий шар Землі, що уможливить ультрафіолетовому випромінюванню досягати поверхні планети. Ефект також може створити більше аерозольних частинок в атмосфері, збільшуючи хмарність та спричиняючи глобальне похолодання.

У новій статті в журналі Nature Communications Earth and Environment розглянуто вибухи наднових і їхній вплив на Землю. Стаття називається «Earth’s Atmosphere Protects the Biosphere from Nearby Supernovae» («Атмосфера Землі захищає біосферу від найближчих наднових»). Її перший автор — Теодорос Крістудіас (Theodoros Christoudias) з Центру дослідження клімату та атмосфери Кіпрського інституту в Нікосії.

Місцевий пузир — не єдиний доказ наднових зір (supernovae, SN) з колапсом ядра, що спалахнули поблизу за останні кілька мільйонів років. Океанічні відкладення також містять 60Fe, радіоактивний ізотоп заліза з періодом напіврозпаду 2,6 мільйона років. Наднові викидають 60Fe у космос, коли вони вибухають. А це вказує на те, що наднова поблизу вибухнула близько 2 мільйонів років тому. В інших відкладах також є 60Fe, що вказує на інший вибух SN приблизно 8 мільйонів років тому.

Ця графіка зі статті дослідників показує потенційний атмосферний і кліматичний вплив спалаху наднової зорі поблизу Землі. Гамма-промені можуть руйнувати озоновий шар, що уможливить більшій кількості УФ-випромінювання досягати поверхні планети. Деяке УФ-випромінювання є іонізуючим, тобто може пошкодити ДНК. Космічні промені також можуть спричиняти утворення більшої кількості ядер конденсації, що означає більше хмар і потенційне глобальне похолодання. Авторські права на зображення: Christoudias et al., 2024 рік. Фото з сайту www.universetoday.com.

Науковці пов’язали вибух SN із пізнім девонським вимиранням приблизно 370 мільйонів років тому. Вони знайшли спори рослин, спалені УФ-промінням, що свідчить — щось потужне виснажило озоновий шар Землі. Насправді біорізноманіття Землі скоротилося приблизно за 300 тис. років до пізнього девонського вимирання. Це вказує на те, що кілька спалахів наднових могли зіграти тут певну роль.

Озоновий шар Землі постійно змінюється. Коли УФ-кванти досягають його, вони розбивають молекули озону (O3). Це розсіює ультрафіолетову енергію, а атоми кисню знову об’єднуються в молекули озону. Цикл повторюється. Це спрощена версія атмосферної хімії, але вона служить для ілюстрації циклу. Найближча наднова може перекрити цикл, виснажуючи щільність озонового стовпа, що дає змогу смертоносному УФ-випромінюванню досягати поверхні Землі.

Але в новій статті Крістудіас та його співавтори припускають, що озоновий шар Землі набагато стійкіший, ніж досі вважали науковців, а тому забезпечує достатній захист від SN в межах 100 парсек. Попередні дослідники моделювали атмосферу Землі та її реакцію на спалах наднової поблизу, але автори кажуть, що вдосконалили таку модель.

Вони змоделювали атмосферу Землі за допомогою моделі Earth Systems Model with Atmospheric Chemistry (EMAC), щоб вивчити вплив вибухів SN поблизу на атмосферу Землі. Використовуючи EMAC, автори змоделювали «складну динаміку атмосферної циркуляції, хімію та зворотні процеси» атмосфери Землі. Вони потрібні для «симуляції втрати озону в стратосфері у відповідь на підвищену іонізацію, що призводить до індукованого іонами зародження та зростання частинок до CCN» (cloud condensation nuclei — ядра конденсації хмар).

«Ми припускаємо репрезентативну близьку SN зі швидкістю іонізації GCR (galactic cosmic ray, галактичні космічні промені) в атмосфері, яка в 100 разів перевищує нинішній рівень», — пишуть науковці у статті. Це корелює з вибухом наднової на відстані приблизно 100 парсек або 326 світлових років від нас.

Ця графіка зі статті дослідників показує зменшення процентного вмісту озонового стовпа після 100-кратного збільшення інтенсивності галактичних космічних променів порівняно з номінальною. Ліва вертикальна вісь позначає географічну широту, а вісь абсцис — пору року. Втрата озону помітніша над полюсами через вплив магнітосфери Землі, де він слабший. Верхня графіка (a) — це сучасна Земля, тоді як b — стародавня Земля, яка мала лише 2% кисню в докембрійський період. Авторські права на зображення: Christoudias et al., 2024 рік. Фото з сайту www.universetoday.com.

«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 є в межах рівнів, отриманих внаслідок нещодавнього антропогенного забруднення».

Але давайте перейдемо до суті. Ми хочемо знати, чи захищена біосфера Землі. 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 через антропогенне забруднення. Це не сильно вплине на біосферу.

«Малоймовірно, що такі зміни озону матимуть великий 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 стало активно набувати різних форм, атмосфера мала лише близько 2 % кисню. Як SN вплине на це? «Ми змоделювали атмосферу з 2% вмістом кисню, оскільки це, ймовірно, представлятиме умови, коли біосфера, що формується на суші, все ще буде особливо чутливою до виснаження озонового шару», — пишуть автори.

«Втрата озону становить приблизно 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 дійшли висновку, що ці зміни атмосферного озону навряд чи мали серйозний вплив на біосферу, яка розвивалася 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 кількість ядер конденсації хмар може зрости до 100%, що звучить як багато. «Ці зміни, незважаючи на кліматичну значимість, можна порівняти з контрастом між незайманою доіндустріальною атмосферою та забрудненою сучасною атмосферою». Дослідники кажуть, що це охолодить атмосферу приблизно на стільки ж, на скільки ми нагріваємо її нині.

Ці два зображення зі статті науковців ілюструють глобальний ефект охолодження, спричинений спалахом наднової неподалік від Землі. Планета потрапить під дії іонізуючого випромінювання, що буде у 100 разів більше від звичайного. На зображенні b показано дробову зміну ядер конденсації хмар відносно теперішнього дня, на d — часткову зміну відбитого сонячного випромінювання відносно теперішнього дня через збільшення альбедо хмар. Авторські права на зображення: Christoudias et al., 2024 рік. Фото з сайту www.universetoday.com.

Дослідники зазначають, що їхнє дослідження стосується всієї біосфери, а не окремих людей. «У нашому дослідженні не враховано прямі ризики для здоров’я людей і тварин внаслідок впливу підвищеного іонізуючого випромінювання», — пишуть вони. Залежно від індивідуальних обставин люди можуть з часом піддаватися впливу небезпечних рівнів радіації. Але загалом, біосфера буде існувати, попри 100-кратне збільшення УФ-випромінювання. Наша атмосфера і магнітосфера можуть з цим впоратися.

«Загалом ми виявили, що спалахи наднових зір, які траплялися поблизу, навряд чи спричинили масове вимирання на Землі», — пишуть автори. «Ми робимо висновок: атмосфера нашої планети та геомагнітне поле ефективно захищають біосферу від наслідків близьких спалахів наднових, що дало змогу життю розвиватися на суші протягом останніх сотень мільйонів років».

Це дослідження показує, що біосфера Землі не постраждає, доки вибухи наднових відбуваються на відстані 100 парсек (326 світлових років) від нас.

За інф. з сайту www.universetoday.com