研究表明，地球大气层是我们抵御附近超新星的最佳防御手段

顺其自然362

艺术家对II型超新星爆炸的印象。这些超新星产生伽马射线和强大的电离辐射，对生命构成威胁。信用：ESO

据《今日宇宙》（Evan Gough）：数十亿年来，地球的保护性大气层一直在保护生命，创造了一个天堂，进化在这里产生了像我们这样复杂的生命形式。臭氧层在保护生物圈免受致命的紫外线辐射方面发挥着关键作用。它阻挡了99%的太阳强大的紫外线输出。地球的磁层也庇护着我们。

但太阳相对温和。臭氧和磁层在保护我们免受强大的超新星爆炸的影响方面有多有效？

每一百万年，也就是地球45亿年寿命的一小部分，就会有一颗大质量恒星在距离地球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名为“局部气泡”的巨大气泡中。

这是一个洞穴状的空间区域，氢密度比气泡外低得多。在之前的1000万到2000万年中，一系列超新星爆炸雕刻出了这个气泡。

超新星是危险的，一颗行星离它越近，其影响就越致命。科学家们推测了超新星爆炸对地球的影响，想知道它们是否引发了大灭绝或至少部分灭绝。

超新星的伽马射线爆发和宇宙射线会耗尽地球的臭氧，并使电离紫外线辐射到达地球表面。这种影响还会在大气中产生更多的气溶胶颗粒，增加云层覆盖率，导致全球降温。

发表在《通讯地球与环境》杂志上的一篇新研究文章探讨了超新星爆炸及其对地球的影响。这本书的标题是“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。

在过去的几百万年里，局部气泡并不是附近核心坍塌超新星（SNe）的唯一证据。海洋沉积物中还含有60Fe，这是一种半衰期为260万年的铁的放射性同位素。

SNe在爆炸时将60Fe排出太空，这表明附近的一颗超新星在大约200万年前爆炸。沉积物中还有60Fe，这表明大约800万年前SN发生了另一次爆炸。



这张来自研究文章的图片显示了附近超新星对大气和气候的潜在影响。伽马射线会耗尽臭氧，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，这意味着它会损伤DNA。宇宙射线还可以产生更多的凝结核，这意味着更多的云和潜在的全球冷却。来源：通讯地球与环境（2024）。DOI:10.1038/s43247-024-01490-9

研究人员将SN爆炸与大约3.7亿年前的晚泥盆纪灭绝联系起来。在一篇论文中，研究人员发现了被紫外线灼伤的植物孢子，这表明某种强大的物质耗尽了地球的臭氧层。事实上，在晚泥盆纪灭绝之前，地球的生物多样性下降了约30万年，这表明多种SNe可能起了一定作用。

地球的臭氧层在不断变化。当紫外线能量到达它时，它会将臭氧分子（O3）分解。这消耗了紫外线能量，氧原子再次结合成O3。循环重复。

这是所涉及的大气化学的简化版本，但它有助于说明这种循环。附近的超新星可能会淹没这个循环，耗尽臭氧柱密度，并使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更有弹性，并在100秒差距内提供了充分的SNe防护。虽然之前的研究人员已经对地球大气层及其对附近SN的响应进行了建模，但作者表示，他们在这项工作上有所改进。

他们用地球系统大气化学模型（EMAC）对地球大气层进行了建模，以研究附近SNe爆炸对地球大气层的影响。作者说，他们使用EMAC对地球大气的“复杂的大气环流动力学、化学和过程反馈”进行了建模。

需要这些来“模拟平流层臭氧在电离升高时的损失，导致离子诱导的成核和粒子生长到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，大气中的GCR（银河宇宙线）电离率是目前水平的100倍。”。这与大约100秒差距或326光年外的超新星爆炸有关。

作者解释道：“极地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，相当于60-70%的臭氧柱损失。”。“另一方面，对流层中的臭氧含量有所增加，但仍在最近人为污染造成的水平之内。”



研究信件中的这些面板显示，臭氧柱的百分比从GCR强度比标称值增加100倍下降。左边的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，臭氧在两极的损失更为明显，而地球磁层较弱。a是现在的地球，而b代表前寒武纪只有2%氧气的古代地球。来源：通讯地球与环境（2024）。DOI:10.1038/s43247-024-01490-9

但让我们切入正题。我们想知道地球生物圈是否安全。

平流层臭氧消耗的最大平均值是正常电离辐射的100倍，代表附近的SN，全球约为10%。这与我们的人为污染造成的减少大致相同。它不会对生物圈产生太大影响。

作者解释道：“尽管意义重大，但这种臭氧变化不太可能对生物圈产生重大影响，特别是因为大多数臭氧损失都发生在高纬度地区。”。

但这是为了现代地球。在前寒武纪，在生命以多种形式爆发之前，大气中只有大约2%的氧气。SN会如何影响这一点？作者写道：“我们模拟了2%的氧气大气层，因为这可能代表了陆地上新兴的生物圈对臭氧消耗仍然特别敏感的条件。”。

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。”。在两极的最低臭氧水平下，SN的电离辐射实际上可能会增加臭氧柱。他们总结道：“我们的结论是，大气臭氧的这些变化不太可能对寒武纪陆地上新兴的生物圈产生重大影响。”。

全球降温如何？

全球降温将加剧，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%，这听起来很大。“这些变化虽然与气候有关，但可与工业化前的原始大气和污染的现代大气之间的对比相媲美。”他们说，这将使大气冷却大约与我们现在加热的量相同。



研究中的这两块面板有助于说明附近SN使地球暴露在100倍以上电离辐射下的全球冷却效应。b示出了CCN相对于当前的分数变化。d显示了由于云层反照率增加而导致的出射太阳辐射相对于今天的分数变化。来源：通讯地球与环境（2024）。DOI:10.1038/s43247-024-01490-9

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

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

作者写道：“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。”。“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，在过去的数亿年里，SNe使生命得以在陆地上进化。”

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的影响。