地球大气层——抵御附近超新星的最佳屏障

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作者：EVAN GOUGH

翻译：张国双

校对：何永强、李宜骅

排版：喻思敏

后台：李子琦

原文链接：https://www.universetoday.com/167427/earths-atmosphere-is-our-best-defence-against-nearby-supernovae/

数十亿年来，大气层一直保护着生命地球上的生命，创造了一个避风港，人类才得以在此进化为复杂的生命体。臭氧层对保护生物圈免受致命紫外线辐射至关重要，阻挡了太阳99%的强力紫外线。同样，地球的磁层也时刻保护着我们。

但太阳活动算是相对温和。臭氧层和磁层能多大程度保护我们免遭强大的超新星爆炸带来的伤害呢？

每一百万年（45亿岁地球的一小部分），一颗大质量恒星就会在距离地球100秒差距（326光年）的范围内爆炸。因为太阳系正是位于一个叫做本地泡的巨大的气泡内，故得出以上结论。这是一个海绵状的空间区域，氢密度远低于气泡外。过去的1000万到2000万年里，一系列超新星爆炸形成了这个气泡。

超新星很危险，行星离它越近就越危险。科学家们推测了超新星爆炸对地球的影响，想知道它是否会造成生物大规模灭绝。超新星爆发的伽马射线和宇宙射线会消耗地球的臭氧，进而电离的极紫外波段辐射会到达地球表面。这些影响还会导致大气中产生更多气溶胶颗粒，加大云层覆盖面积并导致全球变冷。

《自然通讯:地球与环境》上的一篇新研究文章探讨了超新星爆炸及其对地球的影响，标题为“地球大气层保护生物圈免遭附近超新星侵害”。主作者是来自塞浦路斯尼科西亚的塞浦路斯研究所气候与大气研究中心的塞奥佐罗斯·克里斯图迪亚斯（Theodoros Christoudias）。

本地泡并不是过去几百万年中附近存在核坍缩超新星（SNe）的唯一证据。海洋沉积物中还含有60 Fe——铁的放射性同位素，半衰期为260万年。SNe 爆炸时释放的60 Fe进入太空，这就表明大约200万年前有一颗近邻超新星爆炸。沉积物中还有一些其他的 60 Fe证明了大约800万年前的另一次超新星爆炸。

研究人员将超新星与大约3.7亿年前的泥盆纪后期物种大灭绝事件联系起来。某篇论文中，研究人员发现植物孢子被紫外线灼伤，这表明某种强力物质破坏了地球的臭氧层。事实上，在泥盆纪后期灭绝事件之前的30万年左右，地球的生物多样性一直在持续下降，这是由于超新星爆发在发挥作用。

地球的臭氧层化学成分在不断变化。紫外线能量到达臭氧层后，就会分解臭氧分子 （O3）。这一过程会耗散紫外线能量，进而氧原子再次结合成 O3。循环往复。以上的说明只是臭氧层发生化学变化的简要概括，但有助于理解这个循环。附近的超新星可能会摧毁这个循环，耗尽臭氧柱的密度，并导致更致命的紫外线到达地球表面。

但在这篇新论文中，克里斯图迪亚斯和同事们认为，地球的臭氧层比想象的更有弹性，并且在100秒差距的距离内能够保护地球免遭超新星爆炸带来的影响。虽然以前的研究人员已经模拟了地球大气层以及大气层对附近超新星的反应，但该篇论文的作者说他们又精进了这种模型。

他们使用大气化学地球系统模型（EMAC）模拟地球大气层，以研究附近超新星爆炸对地球大气层的影响。作者说，借助EMAC，已经模拟了地球大气层“复杂的大气环流动力学，化学和过程反馈”。这在“模拟平流层臭氧损失，以响应电离升高，导致离子诱导的成核和颗粒生长为云凝结核”。

他们写道：“我们假设附近有一个具有代表性的超新星，其大气中的GCR（银河宇宙射线）电离率是现有水平的100倍。这与大约100秒差距（326光年）外的超新星爆炸有关。

研究数据中的这些表显示，臭氧柱百分比从100倍GCR强度开始下降。左纵轴表示地球的纬度，x轴表示一年中的时间。由于地球磁层的影响，两极磁层较弱，臭氧损失更为明显。a 是现代地球，而 b 代表古代地球（前寒武纪时期只有 2% 氧气）。

图片来源：克里斯图迪亚斯 等人，2024 年

作者解释说：“两极上空的最大臭氧消耗量小于目前南极洲上空的人为臭氧空洞，这相当于臭氧柱损失的60-70%。“另一方面，对流层中的臭氧有所增加，但它完全在近期人为污染造成的范围内。

让我们切入正题，来看看地球的生物圈到底会不会被超新星爆发影响。

平流层最大的臭氧消耗量比正常电离辐射水平高出100倍，全球范围内大致为10%。这与我们的人为污染造成的减少量大致相同。所以，超新星爆发不会对生物圈产生太大影响。

“虽然这种臭氧变化较大，但不太可能对生物圈产生重大影响，尤其是因为大部分臭氧损失发生在高纬度地区，”作者解释说。

但以上情况是针对现代地球而言。在前寒武纪时期，生命还没有发生多种形式的爆发，大气中只有大约2%的氧气。超新星会有怎样的影响?“我们模拟了含2%的氧气大气，因为这表明陆地上新兴的生物圈仍然对臭氧消耗特别敏感，”作者写道。

“中纬度地区，臭氧损失约为10-25%，热带地区臭氧损失较少，”作者写道。在两极的最低臭氧水平下，超新星的电离辐射实际上最终可能会增加臭氧柱。“因此，我们得出结论：大气臭氧的变化并不会对寒武纪期间陆地上新兴的生物圈产生重大影响，”他们总结道。

全球会变冷吗？

全球降温会持续加重，但不会造成任何危险。太平洋和南大洋上空，云凝结核可能会增加100%，这听起来很多。“这些变化虽然与气候有关，但与原始工业化前和当今受污染的大气之间的气候变化旗鼓相当。他们说全球降温导致大气冷却的量与现在人类造成全球变暖的量大致相同。

研究人员指出，他们的研究涉及整个生物圈，而非个人。“我们的研究没有考虑暴露于升高的电离辐射对人类和动物造成的直接健康隐患，”他们写道。根据个人情况，随着时间的推移，个人可能会暴露于危险的辐射中。但总的来说，尽管紫外线辐射增加了100倍，但生物圈仍然会良好运作。我们的大气层和磁层可以处理它。

“总的来说，我们发现附近的超新星爆炸并不会导致地球上出现大规模灭绝，”作者写道。“研究结论表明地球的大气层和地磁场有效地保护了生物圈免受附近超新星爆炸的影响，使得在过去数亿年中生命在陆地上进化。

这项研究表明，只要超新星爆炸保持距离，地球的生物圈就不会受到太大影响。

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图片来源: Long Xin / NASA中文

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