Данный материал является переводом оригинальной статьи, размещённой на сайте The Conversation.
В начале мая этого года замечательное северное сияние продемонстрировало мощь, которую могут испускать солнечные бури в виде радиации, однако время от времени солнце проявляет себя гораздо более разрушительно. Известные как «события солнечных частиц», эти выбросы протонов непосредственно с поверхности Солнца могут выстреливать в космос подобно прожектору.
Записи показывают, что примерно раз в тысячу лет Земля подвергается экстремальному событию солнечных частиц, что может вызывать серьёзные повреждения озонового слоя и увеличение уровня ультрафиолетового (УФ) излучения на поверхности.
Мы проанализировали, что происходит во время такого экстремального события в статье, опубликованной в понедельник (1 июля). Мы также продемонстрировали, что в периоды слабости магнитного поля Земли такие события могут оказывать драматический эффект на жизнь на планете.
Критический магнитный щит Земли
Магнитное поле Земли играет решающую роль как защитный кокон для жизни, отражая электрически заряженное излучение от Солнца. В обычном состоянии оно функционирует как гигантский магнит с линиями поля, поднимающимися от одного полюса, образующими петли и опускающимися обратно к другому полюсу, что порой описывают как «перевёрнутый грейпфрут». Вертикальная ориентация у полюсов позволяет некоторому ионизирующему космическому излучению проникать в верхние слои атмосферы, где оно взаимодействует с молекулами газа, создавая свечение, известное как полярное сияние.
Однако с течением времени поле сильно меняется. В прошлом веке северный магнитный полюс блуждал по северной Канаде со скоростью около 40 километров в год, а само поле ослабело более чем на 6%. Геологические записи показывают, что существовали периоды в течение столетий или тысячелетий, когда геомагнитное поле было очень слабым или даже полностью отсутствовало.
Мы можем увидеть, что произойдёт без магнитного поля Земли, обратив взгляд на Марс, который потерял своё глобальное магнитное поле в древнем прошлом, что привело к утрате большей части его атмосферы. В мае, вскоре после северного сияния, на Марс ударило сильное событие солнечных частиц. Это нарушило работу космического корабля Mars Odyssey и привело к тому, что уровень радиации на поверхности Марса примерно в 30 раз превысил тот, который можно было бы получить при рентгенографии грудной клетки.
Сила протонов
Внешняя атмосфера Солнца излучает постоянный колеблющийся поток электронов и протонов, известный как «солнечный ветер». Однако поверхность Солнца также время от времени испускает всплески энергии, в основном протоны, в виде солнечных частиц, которые часто связаны с солнечными вспышками.
Протоны намного тяжелее электронов и несут больше энергии, поэтому они достигают меньших высот в атмосфере Земли, возбуждая молекулы газа в воздухе. Однако эти возбужденные молекулы излучают только рентгеновские лучи, невидимые невооружённым глазом.
Сотни событий со слабыми солнечными частицами происходят каждый солнечный цикл (примерно 11 лет), но на протяжении всей истории Земли учёные находили следы гораздо более сильных событий. Некоторые из самых экстремальных были тысячи раз мощнее всего, что записано современными приборами.
Экстремальные события, связанные с солнечными частицами
Эти экстремальные солнечные частицевые события происходят приблизительно раз в несколько тысячелетий. Самое последнее событие произошло примерно в 993 году нашей эры и было использовано для датировки викингских построек в Канаде, изготовленных из дерева, срубленного в 1021 году нашей эры.
Меньше озона, больше радиации
Помимо непосредственных последствий, события солнечных частиц могут инициировать цепочку химических реакций в верхней атмосфере, приводящих к истощению озона. Озон поглощает вредное солнечное УФ-излучение, которое может повредить зрение, повысить риск развития рака кожи и оказать влияние на климат.
В нашем новом исследовании мы использовали крупномасштабные компьютерные модели глобальной атмосферной химии для изучения последствий экстремального события солнечных частиц.
Мы выяснили, что такое событие может привести к истощению уровней озона на год или около того, повышая уровни УФ-излучения на поверхности и увеличивая повреждение ДНК. Однако если событие солнечных протонов произойдёт в период слабого магнитного поля Земли, то разрушение озона может продолжаться 6 лет, увеличивая уровень УФ-излучения на 25% и увеличивая скорость вызванного солнцем повреждения ДНК до 50%.
Взрывы частиц из прошлого
Насколько вероятно это смертельное сочетание слабого магнитного поля и экстремальных событий солнечных частиц? Учитывая частоту каждого из них, кажется, что они совместно происходят относительно часто.
Фактически, это сочетание событий может объяснить несколько загадочных явлений в истории Земли.
Самый последний период слабого магнитного поля, включая временное изменение полюсов на северный и южный, начался примерно 42 тысяч лет назад и длился около 1000 лет. Примерно в это время произошло несколько крупных эволюционных событий, таких как исчезновение последних неандертальцев в Европе и вымирание сумчатой мегафауны, включая гигантских вомбатов и кенгуру в Австралии.
Ещё более масштабное эволюционное событие также было связано с геомагнитным полем Земли. Происхождение многоклеточных животных в конце эдиакарского периода (565 миллионов лет назад), зафиксированное в окаменелостях в хребте Флиндерс в Южной Австралии, произошло после 26-миллионного периода слабого или отсутствующего магнитного поля.
Аналогичным образом, быстрая эволюция различных групп животных во время кембрийского взрыва (около 539 миллионов лет назад) также была связана с геомагнетизмом и высоким уровнем ультрафиолетового излучения. Одновременная эволюция глаз и твёрдых оболочек тела в нескольких несвязанных группах была описана как лучший способ как обнаружить, так и избежать вредных входящих ультрафиолетовых лучей в «бегстве от света».
Мы всё ещё только начинаем исследовать роль солнечной активности и магнитного поля Земли в истории жизни.