У природы есть плохая погода. Как все живое на Земле зависит от космических ненастий

Невероятное множество факторов и переменных привели к формированию планеты Земля, которую мы занимаем сегодня и жизнь на которой находит способы развиваться и процветать даже в самых сложных условиях. Солнце — катализатор всего этого, именно оно подталкивает жизнь на Земле к более сложным формам своим стабильным термоядерным синтезом.

Но Солнце остается безопасным только благодаря встроенной в Землю защите — магнитосфере. И Солнце, и магнитосфера меняются со временем, причем сила каждого из них колеблется. Солнце направляет к нам мощную космическую погоду, а магнитосфера защищает Землю.

Как космическая погода и магнитосфера повлияли на Землю

Новое исследование рассматривает, как Солнце и магнитный щит Земли менялись со временем и как эти изменения влияли на пригодность нашей планеты. Главный автор — Хакобо Варела, исследователь из Мадридского университета имени Карла III.

Сегодня мы знаем о Солцне намного больше, чем даже несколько десятилетий назад. Солнечный зонд Паркер, Солнечная и гелиосферная обсерватория SOHO, космическая обсерватория Solar Dynamics Observatory (SDO) и другие космические аппараты в настоящее время интенсивно изучают светило. Мы знаем, что у Солнца есть 11-летний цикл и что иногда оно порождает мощные солнечные бури, способные отключить электрооборудование на Земле.

Мы также много знаем о магнитосфере Земли. Мы знаем, что вращающееся железное ядро планеты и конвекционные потоки создают магнитный щит, который блокирует большую часть опасного излучения Солнца, пропуская при этом тепло. Мы знаем, что полярные области Земли могут менять свое положение, и что сила магнитосферы менялась со временем.

Космическая погода и магнитосфера регулируют население Земли

Солнечный ветер (SW) и магнитное поле межпланетного пространства (IMF) объединяются, создавая космическую погоду, и обитаемость планеты зависит от того, как космическая погода взаимодействует с нашей магнитосферой. Без крепкой магнитосферы Земля остается незащищенной.

"Это означает, что условия космической погоды могут накладывать ограничения на "умения" Земли и экзопланет защищать свою поверхность магнитосферой, избегая при этом воздействия звездного ветра, стерилизующего поверхность", — пишут авторы.

Корональные выбросы массы (CME) оказывают наиболее разрушительное воздействие на магнитосферу Земли. Когда Солнце излучает мощный CME, направленный на Землю, он временно деформирует магнитосферу Земли. Дневная сторона сжимается, а ночная сторона — удлиняется. Большую часть времени это приводит только к более мощным северным сияниям — естественному световому шоу, которое достигает более низких широт, чем обычно.

Но этот баланс не всегда соблюдается. В более ранней истории Солнце вращалось быстрее и имело более мощную магнитную активность. Поскольку CME вызываются поведением Солнца, включая его вращение и магнетизм, в прошлом Солнце излучало более мощные CME.

"Динамическое давление солнечного ветра и интенсивность корональных выбросов были намного выше на более ранних этапах жизни Солнца по сравнению с нынешним временем. Таким образом, возмущения, вызванные молодым Солнцем в магнитосфере Земли, были сильнее", — подчеркивает Хакобо Варела.

Вопрос заключается в том, как именно все это менялось со временем и как влияло на пригодность планеты для жизни? Как это повлияет на Землю в будущем?

"Цель данного исследования — проанализировать пригодность Земли в ходе эволюции Солнца", — объясняют авторы. Команда провела ряд подробных симуляций, чтобы исследовать взаимодействие между Солнцем и Землей за миллиарды лет истории. Симуляции основаны на установленных научных моделях факторов, таких как сила солнечного ветра.

Одним из явлений, изменяющихся со временем, является сила магнитного поля Земли, измеряемая в микротеслах. Недавние данные показывают, что она меняется в соответствии с циклом продолжительностью в 200 миллионов лет. Эти изменения вызваны процессами внутри Земли, где формируется магнитное поле.

Авторы исследования изучили, как изменялась пригодность Земли в периоды слабой, нормальной и высокой интенсивности двухполярного магнитного поля.

Также существуют периоды, когда меняется не только интенсивность магнитного поля Земли, но и его структура. Иногда Земля переживает временные отрезки, когда ее магнитное поле является мультиполярным, а не двухполярным. В эти периоды также изменяется сила поля.

Земля переживала периоды низкой интенсивности магнитного поля в течение Протерозойской эры и в периоды Кембрия, Девона и Каменноугольного периода палеозойской эры. Также низкая интенсивность магнитного поля имела место в Триасовом периоде мезозойской эры. Эти времена соответствуют моделям с интенсивностью всего 5 микротесла, обозначенным красным цветом.

Периоды немного более сильного магнитного поля (15 микротесла) встречаются в Палеоархейской и Мезоархейской эрах, Протерозойской эре, Юрском периоде мезозойской эры и Палеогеновом периоде кайнозойской эры. Эти периоды обозначены оранжевым цветом.

"Модель диполя с 30 мкТ представляет собой Мезопротерозойскую и Неоархейскую эры, а также периоды Неогена и Четвертичного периода крейдяной эры", — объясняют авторы. Эти времена отмечены розовым цветом.

Сила магнитного поля Земли была наивысшей в ее ранние дни. "Модель диполя с 45 мкТ представляет периоды высокой интенсивности магнитного поля во времена Эоархейской эры и Архейской эры", — пишут авторы. Эти периоды обозначены фиолетовым цветом.

Итак, что из всего этого следует?

Критической частью работы является определение расстояния магнитопаузы. Это расстояние сжимается более энергичными солнечными ветрами и расширяется, когда сила магнитного поля Земли выше. На рисунке выше (а) показано уменьшение расстояния магнитопаузы по сравнению с (d), когда сила магнитного поля выше.

Во времена сильных солнечных ветров и слабого магнетизма дистанция магнитопаузы ближе к поверхности Земли, что означает угрозу со стороны Солнца для жизни на планете. Если эта дистанция уменьшится до нуля, значит, радиация Солнца сможет достичь поверхности и пригодность Земли для жизни сильно снизится.

"Мы приходим к выводу, что воздействие космической погоды на пригодность Земли для жизни должно рассматриваться как важный фактор эволюции", — пишут авторы.

Исследование показывает, как космическая погода и сила магнитного поля Земли менялись со временем и влияли на пригодность планеты для обитания или делали жизнь более сложной. Оно также показывает, что в периоды мультиполярной конфигурации магнитного поля Земли, предшествующие перевороту полюсов, мы более уязвимы перед космической погодой. Последняя инверсия полюсов произошла около 780 000 лет назад, и магнитный щит ослаб. Инверсии могут занимать сотни или даже тысячи лет. Мы все еще защищены во время инверсий, но не так хорошо. Если в это время произойдет мощный корональный выброс массы, это может вызвать разрушительную геомагнитное бурю.

В далеком будущем двухполярное магнитное поле Земли ослабнет, подобно тому, как это произошло с Марсом. Планета будет менее способной сопротивляться воздействию Солнца, и ее пригодность для жизни будет ухудшиться. В конечном итоге последовательные корональные выбросы массы будут ударять по поверхности, причиняя все больше разрушений в биосфере Земли. С течением времени даже относительно слабый солнечный ветер достигнет поверхности, и Земля будет постоянно омываться радиацией.

По материалам Universe Today.