Starstruck: NASA Research Shows How Sun’s Ancient History Shaped Earth

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 вызывать ранее необъяснимые климатические сдвиги.

В новом исследовании 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) — проследили траекторию гелиосферы, огромного пузыря, создаваемого нашим Солнцем, который окутывает нашу Солнечную систему, по мере ее перемещения по галактике и влияния на климат Земли.

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

Движение Солнца

За последние десятки миллионов лет климат Земли претерпел значительные изменения, включая заметные ледниковые периоды, когда глобальная средняя 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 обращались к внутренним факторам Земли, включая орбитальные изменения, парниковые газы и лед. Однако новые исследования предполагают, что изменения в среде Солнца могут быть ключом к пониманию колебаний температуры Земли.

Подобно тому, как наша планета окутана атмосферой, вся наша Солнечная система заключена в своего рода «атмосферу», создаваемую Солнцем. Этот защитный пузырь, известный как гелиосфера, формируется непрерывным солнечным ветром заряженных частиц, исходящих от Солнца во всех направлениях.

Наша гелиосфера вращается вокруг центра нашей галактики, Млечного Пути. За 4,6 миллиарда лет существования Солнца наша гелиосфера проходила через различные регионы нашей галактики. В статье, опубликованной 21 августа в журнале Annual Review of Astronomy and Astrophysics, исследователи из SHIELD NASA использовали компьютерное моделирование, чтобы реконструировать путь гелиосферы через нашу галактику, показав, 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 как минимум трижды 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 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 соответствуют геологическим данным: элементы, преобладающие в межзвездной пыли, появляются в образцах глубоководных осадочных кернов, антарктическом снегу и лунных образцах в эти периоды времени.

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

Следующий рубеж в изучении гелиофизики

Центр SHIELD является одним из нескольких, которые финансирует NASA для развития исследований гелиосферы нового поколения. Как научный центр DRIVE, SHIELD объединяет команду исследователей с различными знаниями, подходами и мнениями для разработки модели, или «цифрового двойника», гелиосферы, который помогает понять, как гелиосфера взаимодействует со своим окружением, включая плотные межзвездные облака. Понимание нашей уникальной, пригодной для жизни Солнечной системы поможет разгадать тайны эволюции жизни на Земле и, возможно, обнаружить другие обитаемые звездные системы.

Молодое Солнце

В другой статье Владимир Айрапетян, ученый из Центра космических полетов имени Годдарда NASA в Гринбелте, штат 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% менее ярким, 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 загадка — теплой Земли под более холодным, тусклым Солнцем — известна как парадокс слабого молодого Солнца.

Одна из подсказок к разрешению парадокса поступает от молодых солнцеподобных звезд в других частях галактики. Эти «юные» звезды склонны к «приступам». В частности, данные с выведенного из эксплуатации телескопа Кеплера NASA показывают, что молодые солнцеподобные звезды регулярно извергают массивные супервспышки, выбрасывая высокоэнергетические частицы во всех направлениях ежедневно. Если бы наше молодое Солнце было похоже на эти другие звезды, предполагает Айрапетян, обстрел высокоэнергетическими солнечными частицами мог бы 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 обстрел частицами от супервспышек. Этот протонный обстрел вызвал несколько 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. Однако не вся закись азота сохранилась бы. Интенсивное ультрафиолетовое излучение молодого Солнца разрушало бы часть ее, расщепляя молекулу обратно на азот и кислород. Но даже если бы сохранилось всего 10% закиси, наблюдаемой в эксперименте, подтвердили компьютерные симуляции команды Айрапетяна, это все равно нагрело бы экваториальные области Земли примерно до 5 градусов Цельсия (41 градус по Фаренгейту), выше точки замерзания воды. Это меньшее количество закиси 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.

Раскрытие тайн нашей звездной планетарной системы

В совокупности 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 звездной планетарной системы. Понимание этих уникальных отношений обещает новые прозрения как о Земле, так и о звезде, которая ее поддерживает.