Как древняя история Солнца повлияла на Землю: исследование NASA

В центре нашей Солнечной системы Солнце оказывает влияние на каждую планету, которая вращается вокруг него. В двух недавних исследованиях, финансируемых NASA, ученые выяснили, как древние события в истории Солнца могли способствовать формированию уникального климата Земли и вызвать ранее необъяснимые климатические изменения.

В новом исследовании ученые из центра SHIELD (Solar Wind with Hydrogen Ion charge Exchange and Large-Scale Dynamics) NASA проследили траекторию гелиосферы — огромного пузыря, созданного нашим Солнцем, который окутывает нашу Солнечную систему — по мере ее движения в галактике и влияния на климат Земли.

В другой работе ученый NASA и его соавторы исследуют, как молодое, более тусклое Солнце смогло нагреть Землю, способствуя производству мощных парниковых газов.

Движущееся Солнце

За последние десятки миллионов лет климат Земли претерпел значительные изменения, включая заметные ледниковые периоды, когда средняя глобальная температура временно снижалась на несколько градусов. В эти периоды более частые климатические колебания приводили к потеплению и похолоданию Земли.

Чтобы объяснить эти периоды потепления и похолодания, ученые рассматривали факторы, внутренние для Земли, такие как изменения орбиты, парниковые газы и лед. Однако новое исследование предполагает, что изменения в окружающей среде Солнца могут быть ключом к пониманию колебаний температуры Земли.

Подобно тому, как нашу планету окутывает атмосфера, вся наша Солнечная система находится внутри своеобразной «атмосферы», созданной Солнцем. Этот защитный пузырь, известный как гелиосфера, образуется непрерывным солнечным ветром — потоком заряженных частиц, исходящим от Солнца во всех направлениях.

Наша гелиосфера вращается вокруг центра нашей галактики, Млечного Пути. За 4,6 миллиарда лет существования Солнца наша гелиосфера пересекала различные области нашей галактики. В статье, опубликованной 21 августа в журнале Annual Review of Astronomy and Astrophysics, исследователи из SHIELD NASA использовали компьютерное моделирование для ретроспективного анализа пути гелиосферы по нашей галактике, обнаружив, что среды, через которые она проходила, могли вызвать изменения на Земле.

Мерав Офер, главный исследователь SHIELD в Бостонском университете, и ее команда провели симуляции, которые показали, что Солнце как минимум три раза за последние несколько миллионов лет сталкивалось с ледяными просторами газа и пыли. В этих случаях массивные межзвездные «холодные облака» настолько сильно воздействовали на гелиосферу, что она сжималась до размеров меньше орбиты Земли, оставляя нашу планету вне защитного щита Солнца.

Эти воздействия — примерно 2-3 миллиона лет, 6-7 миллионов лет и 13-14 миллионов лет назад — подвергли бы атмосферу Земли совершенно иной окружающей среде. Результаты моделирования совпадают с геологическими данными: элементы, преобладающие в межзвездной пыли, появляются в образцах керна глубоководных осадков, антарктическом снегу и лунных образцах в эти периоды.

Эти события коллапса гелиосферы могут также объяснить древние климатические паттерны на Земле. В симуляциях, когда атмосфера Земли подвергалась воздействию холодного, плотного галактического облака водорода, увеличивалось содержание водяного пара и изменялась динамика верхних слоев атмосферы, что в конечном итоге изменяло условия на поверхности. Таким образом, путешествия нашей гелиосферы через более холодные регионы нашей галактики могут быть ключевым фактором, вызывающим некоторые древние изменения климата Земли, включая возможные ледниковые периоды.

Следующий рубеж в исследовании гелиофизики

Центр SHIELD — один из нескольких, которые NASA финансирует для развития следующего поколения гелиосферных исследований. Являясь центром DRIVE Science, SHIELD объединяет команду исследователей с различными областями знаний, подходами и мнениями для разработки модели, или «цифрового двойника», гелиосферы, которая помогает раскрыть, как гелиосфера взаимодействует с окружающей средой, включая плотные межзвездные облака. Понимание нашей уникальной, обитаемой Солнечной системы поможет раскрыть тайны эволюции жизни на Земле и потенциально найти другие обитаемые звездные системы.

Молодое Солнце

В другой статье Владимир Айрапетян, ученый из Центра космических полетов имени Годдарда NASA в Гринбелте, Мэриленд, сосредоточился на давней загадке того, как древнее Солнце нагревало раннюю Землю достаточно, чтобы поддерживать жизнь. Три миллиарда лет назад молодое Солнце было на 70% ярче, чем сегодня. При таких более тусклых условиях Земля должна была быть покрыта льдом. Однако геологические данные свидетельствуют о существовании стабильной жидкой воды задолго до этого. Эта головоломка — теплая Земля под более холодным, тусклым Солнцем — известна как парадокс слабого молодого Солнца.

Одна из подсказок к разрешению парадокса исходит от молодых солнцеподобных звезд в других частях галактики. Эти «звезды-младенцы» склонны к вспышкам. В частности, данные с выведенного из эксплуатации телескопа «Кеплер» NASA показывают, что молодые солнцеподобные звезды регулярно извергают массивные супервспышки, разбрасывая высокоэнергетические частицы во всех направлениях ежедневно. Если бы наше молодое Солнце было похоже на эти другие звезды, предполагает Айрапетян, шквал высокоэнергетических солнечных частиц мог вызвать химические реакции, которые были ключевыми для нагрева ранней Земли.

Команда Айрапетяна смоделировала атмосферу ранней Земли в герметичной камере, смешав молекулярный азот, аммиак, углекислый газ и угарный газ. Затем они направили протоны в смесь, имитируя натиск частиц от супервспышек. Эта бомбардировка протонами вызвала ряд изменений, включая производство закиси азота — парникового газа, в 300 раз более мощного, чем углекислый газ. Исследование было опубликовано в Astrophysical Journal Letters.

Эта закись азота могла помочь Земле удерживать тепло. Но не вся закись азота сохранялась бы. Интенсивное ультрафиолетовое излучение молодого Солнца разрушало бы ее, расщепляя молекулу обратно на азот и кислород. Но даже если бы сохранилось всего 10% закиси азота, наблюдаемой в эксперименте, подтвердили компьютерные симуляции команды Айрапетяна, это все равно нагрело бы экваториальные регионы Земли примерно до 5 градусов Цельсия, выше точки замерзания воды. Это меньшее количество закиси азота могло бы даже ускорить пребиотический синтез: было обнаружено, что температуры чуть выше точки замерзания более эффективны для построения сложных цепочек аминокислот, чем более теплые температуры.

Раскрывая тайны нашей звездно-планетной системы

Вместе эти два исследования показывают, что Солнце может иметь неожиданные последствия для Земли. Хотя наша планета уникальна во многих отношениях, она сформировалась и всегда существовала как часть звездно-планетной системы. Понимание этих уникальных отношений обещает новые открытия как о Земле, так и о звезде, которая ее поддерживает.