研究表明地球大气层是我们抵御附近超新星的最佳防御

地球的大气层为生命提供了数十亿年的庇护，为像我们这样的复杂生命形式提供了避难所。臭氧层在保护生物圈免受致命紫外线辐射方面发挥着关键作用。它阻挡了99%的太阳强烈紫外线。地球的磁层也为我们提供了庇护。

但太阳相对温和。臭氧和磁层在保护我们免受强大超新星爆炸的影响方面有多有效?

每百万年(地球45亿年寿命的一小部分)就会有一颗质量巨大的恒星在距地球100秒差距(326光年)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被称为本泡的巨大气泡内。

这是太空中一个洞穴状区域，其中氢的密度比气泡外低得多。此前1000万至2000万年间发生的一系列超新星爆炸形成了这个气泡。

超新星很危险，行星距离超新星越近，其影响就越致命。科学家们推测超新星爆炸对地球的影响，想知道它们是否引发了大规模灭绝或至少是部分灭绝。

超新星爆发的伽马射线和宇宙射线会消耗地球的臭氧层，并使电离紫外线到达地球表面。这些影响还会在大气中产生更多的气溶胶粒子，增加云层覆盖率并导致全球变冷。

《通讯：地球与环境》杂志发表的一篇新研究文章探讨了超新星爆炸及其对地球的影响。文章的标题是“地球大气层保护生物圈免受附近超新星的袭击”。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TheodorosChristoudias。

本地气泡并不是过去几百万年内附近核心坍缩超新星(SNe)的唯一证据。海洋沉积物中还含有60Fe，这是一种铁的放射性同位素，半衰期为260万年。

超新星爆炸时会向太空排放60Fe，表明附近的超新星在大约200万年前爆炸过。沉积物中也有60Fe，表明大约800万年前曾发生过另一次超新星爆炸。

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层，使更多的紫外线到达地球表面。一些紫外线具有电离性，这意味着它会损害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降温。来源：CommunicationsEarth&Environment(2024)。DOI：10.1038/s43247-024-01490-9

研究人员将超新星爆发与大约3.7亿年前的晚泥盆世灭绝联系起来。在一篇论文中，研究人员发现植物孢子被紫外线灼伤，这表明某种强大的力量耗尽了地球的臭氧层。事实上，在晚泥盆世灭绝之前，地球的生物多样性已经下降了大约30万年，这表明多个超新星爆发可能发挥了作用。

地球的臭氧层处于不断变化之中。当紫外线能量到达臭氧层时，它会分解臭氧分子(O3)。紫外线能量会消散，氧原子会再次结合成O3。循环不断重复。

这是大气化学反应的简化版本，但它可以说明这一循环。附近的超新星可能会破坏这一循环，消耗臭氧层密度，使更多致命紫外线到达地球表面。

但在这篇新论文中，克里斯托迪亚斯和他的同事们认为，地球的臭氧层比想象的更有弹性，可以在100秒差距内提供足够的保护来抵御超新星。虽然之前的研究人员已经模拟了地球大气层及其对附近超新星的反应，但作者表示他们已经改进了这项工作。

他们利用大气化学地球系统模型(EMAC)模拟地球大气，以研究附近超新星爆发对地球大气的影响。作者表示，他们利用EMAC模拟了地球大气的“复杂大气环流动力学、化学和过程反馈”。

这些都是为了“模拟由于电离度升高而导致的平流层臭氧损失，从而导致离子诱导成核和粒子生长为CCN(云凝结核)”。

他们写道：“我们假设附近存在一个具有代表性的超新星，其大气中的GCR(银河宇宙射线)电离率是目前水平的100倍。”这与距离我们约100秒差距或326光年的超新星爆炸有关。

“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，后者相当于臭氧柱损失60-70%”，作者解释道。“另一方面，对流层的臭氧有所增加，但远低于近期人为污染造成的水平。”

附近超新星爆发时，由于电离辐射比正常水平高出100倍，导致平流层臭氧耗损最大，全球平均耗损量约为10%。这与人类活动造成的污染量大致相同。它不会对生物圈造成太大影响。

作者解释说：“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发生在高纬度地区。”

但这是针对现代地球而言的。在前寒武纪，在生命以多种形式爆发之前，大气中只有约2%的氧气。超新星会对此产生什么影响?“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。

作者写道：“中纬度地区的臭氧损失约为10%-25%，热带地区的损失则要低一个数量级。”在极地的臭氧水平最低时，来自超新星的电离辐射实际上可能会增加臭氧柱。“我们得出结论，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。

那么全球变冷又如何呢?

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，CCN可能会增加高达100%，这听起来很多。“这些变化虽然与气候有关，但与原始工业化前大气与受污染的当今大气之间的对比相当。”他们说，它将使大气降温的程度与我们现在加热的程度大致相同。

研究人员指出，他们的研究关注的是整个生物圈，而不是个体。“我们的研究没有考虑人类和动物暴露于高浓度电离辐射所带来的直接健康风险，”他们写道。

根据个人情况，个人可能会随着时间的推移暴露在危险的辐射水平下。但总体而言，尽管紫外线辐射增加了100倍，生物圈仍会正常运转。我们的大气层和磁层可以承受它。

“总体而言，我们发现附近的超新星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超新星的影响，这使得生命在过去数亿年里得以在陆地上进化。”

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。