Исследование NASA: Как древняя история Солнца сформировала Землю

Солнце, находящееся в центре нашей Солнечной системы, оказывает влияние на каждую планету, вращающуюся вокруг него. В двух недавних исследованиях, финансируемых NASA, ученые выяснили, как древние события в истории Солнца могли способствовать созданию уникального климата Земли и объяснить необъяснимые ранее 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 окружает Солнечную систему, — по мере ее движения в Галактике и влияния на климат Земли. В другой статье ученый NASA с соавторами исследуют, как молодое, менее яркое Солнце смогло нагреть Землю, способствуя производству мощных парниковых газов.

Движение Солнца

На протяжении последних десятков миллионов лет климат Земли претерпевал 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. Для объяснения этих периодов потепления и похолодания ученые рассматривали факторы, внутренние для Земли, такие как изменения орбиты, парниковые газы и лед. Однако новое исследование предполагает, что изменения в окружении Солнца могут быть ключом к пониманию колебаний температуры Земли.

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

Наша гелиосфера вращается вокруг центра нашей Галактики, Млечного Пути. За 4,6 миллиарда лет существования Солнца наша гелиосфера пересекла различные регионы внутри 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 через нашу Галактику, показав, что среды, через которые она проходила, могли вызвать изменения на Земле.

Мерав Офер, главный исследователь SHIELD из Бостонского университета, и ее команда провели симуляции, которые показали, что Солнце как минимум 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 вне защитного щита Солнца.

Эти периоды воздействия — примерно 2-3 миллиона лет, 6-7 миллионов лет и 13-14 миллионов лет назад — выставили атмосферу Земли в совершенно иные условия. Результаты симуляций совпадают с геологическими данными: элементы, преобладающие в межзвездной пыли, обнаруживаются в образцах глубоководных кернов, в антарктическом снегу и в лунных образцах, относящихся к этим временным отрезкам.

Эти события сжатия гелиосферы могут также объяснить древние климатические закономерности 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 приводило к изменению условий на поверхности. Таким образом, путешествия нашей гелиосферы через более холодные регионы нашей Галактики могут быть ключевым фактором, обуславливающим некоторые древние климатические изменения на Земле, включая возможные ледниковые периоды.

Следующий рубеж в изучении гелиофизики

Центр SHIELD — один из нескольких, финансируемых NASA, для продвижения исследований гелиосферы следующего поколения. Как центр DRIVE Science, SHIELD объединяет команду исследователей с различными знаниями, подходами и мнениями для разработки модели, или «цифрового двойника», гелиосферы, которая помогает раскрыть, 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 потенциально обнаружить другие обитаемые звездные системы.

Молодое Солнце

В другой статье Владимир Айрапетян, ученый из Космического центра имени Годдарда NASA в Гринбелте, штат Мэриленд, рассматривает давнюю загадку 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 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, менее ярким Солнцем — известна как парадокс слабого молодого Солнца.

Одна из подсказок к разрешению парадокса исходит от молодых солнцеподобных звезд в других частях Галактики. Эти «детские» звезды склонны к вспышкам. В частности, данные с выведенного из эксплуатации телескопа Kepler NASA показывают, что молодые солнцеподобные звезды регулярно извергаются мощными супервспышками, выбрасывая высокоэнергетические частицы во всех направлениях ежедневно. Если наше молодое Солнце было похоже на эти другие звезды, Айрапетян предполагает, что шквал высокоэнергетических солнечных частиц мог спровоцировать 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 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 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, как 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: температуры чуть выше точки замерзания оказались более эффективными для построения сложных цепочек аминокислот, чем более теплые температуры.

Раскрывая тайны нашей звездно-планетарной системы

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

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