Древняя история Солнца и формирование климата Земли

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 созданию уникального климата Земли и вызвать ранее необъяснимые климатические изменения.

В рамках нового исследования ученые из центра NASA SHIELD (Solar Wind with Hydrogen Ion charge Exchange and Large-Scale Dynamics) — одного из научных центров NASA DRIVE (Diversify, Realize, Integrate, Venture, Educate) — отследили траекторию гелиосферы, гигантского пузыря, созданного нашим Солнцем, который окутывает нашу Солнечную систему, по мере ее движения в галактике и влияния на климат Земли. В другой статье ученый NASA с соавторами исследует, как молодое, менее яркое Солнце смогло нагреть Землю, способствуя образованию мощных парниковых газов.

Солнце в движении

За последние десятки миллионов лет климат Земли претерпел значительные изменения, включая заметные ледниковые периоды, во время которых средняя глобальная температура временно падала 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 новые исследования предполагают, что изменения в окружающей среде Солнца могут быть ключом к пониманию колебаний температуры Земли.

Подобно тому, как наша планета окружена атмосферой, вся наша Солнечная система находится внутри своего рода «атмосферы», созданной Солнцем. Этот защитный пузырь, известный как гелиосфера, образуется непрерывным солнечным ветром заряженных частиц, истекающих 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 в нашей галактике. 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 через нашу галактику, обнаружив, что среды, через которые она проходила, могли вызвать изменения на Земле.

Мэрав Офер, главный исследователь SHIELD в Бостонском университете, и ее команда провели симуляции, которые показали, что Солнце по крайней мере три раза за последние несколько миллионов лет сталкивалось с холодными областями газа и пыли. В этих случаях массивные межзвездные «холодные облака» настолько сильно давили на гелиосферу, что она сжималась до размеров меньше орбиты Земли, оставляя нашу планету за пределами защитного щита Солнца.

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

Эти события коллапса гелиосферы также могут объяснить древние климатические закономерности на Земле. В симуляциях, когда атмосфера Земли подвергалась воздействию холодного, плотного галактического облака водорода, увеличивалось содержание водяного пара и менялась 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 климатические изменения на Земле, включая возможные ледниковые периоды.

Следующий рубеж в исследовании гелиофизики

Центр SHIELD — один из нескольких, которые финансирует NASA для развития гелиосферных исследований следующего поколения. Как научный центр DRIVE, SHIELD объединяет команду исследователей с различным опытом, 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 разгадать тайны эволюции жизни на Земле и потенциально открыть другие обитаемые звездные системы.

Молодое Солнце

В другой статье Владимир Айрапетян, ученый из Космического центра 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 условиях низкой яркости Земля должна была быть покрыта льдом. Однако геологические данные свидетельствуют о существовании стабильной жидкой воды задолго до этого. Эта головоломка — тёплая Земля под более холодным, менее ярким Солнцем — известна как парадокс слабого молодого Солнца.

Одним из ключей к разрешению парадокса являются молодые солнцеподобные звезды в других частях галактики. Эти «звезды-малыши» склонны к вспышкам. В частности, данные с выведенного из эксплуатации телескопа Kepler NASA показывают, что молодые солнцеподобные звезды регулярно извергаются мощными супервспышками, 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. Это бомбардирование протонами вызвало ряд изменений, включая образование 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 сохранилась 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 области Земли примерно до 41 градуса по Фаренгейту (5 градусов по Цельсию), выше точки замерзания воды. Это меньшее количество закиси азота могло 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 была сформирована и всегда существовала как часть звездно-планетной системы. Понимание этой уникальной взаимосвязи обещает новые знания как о Земле, так и о звезде, которая ее поддерживает.

Авторы: Дезире Аподака и Майлз Хэтфилд
Космический центр имени Годдарда NASA, Гринбелт, Мэриленд.