У природи є погана погода. Як усе живе на Землі залежить від космічних негод

Неймовірна безліч чинників і змінних призвели до формування планети Земля, яку ми займаємо сьогодні й життя на якій знаходить способи розвиватися та процвітати навіть у найскладніших умовах. Сонце — каталізатор усього цього, саме воно підштовхує життя на Землі до складніших форм своїм стабільним термоядерним синтезом.

Але Сонце залишається безпечним тільки завдяки вбудованому в Землю захисту — магнітосфері. І Сонце, і магнітосфера змінюються з часом, до того ж сила кожного з них коливається. Сонце спрямовує до нас потужну космічну погоду, а магнітосфера захищає Землю.

Як космічна погода й магнітосфера вплинули на Землю

Нове дослідження розглядає, як Сонце та магнітний щит Землі змінювалися з часом і як ці зміни впливали на придатність нашої планети. Головний автор — Хакобо Варела, дослідник із Мадридського університету імені Карла III.

Сьогодні ми знаємо про Сонце набагато більше, ніж навіть кілька десятиліть тому. Сонячний зонд Паркера, Сонячна та геліосферна обсерваторія SOHO, космічна обсерваторія Solar Dynamics Observatory (SDO) й інші космічні апарати нині інтенсивно вивчають світило. Ми знаємо, що в Сонця є 11-річний цикл і що іноді воно породжує потужні сонячні бурі, здатні відключити електрообладнання на Землі.

Ми також багато знаємо про магнітосферу Землі. Ми знаємо, що залізне ядро планети, яке обертається, і конвекційні потоки створюють магнітний щит, який блокує більшу частину небезпечного випромінювання Сонця, пропускаючи тепло. Ми знаємо, що полярні області Землі можуть змінювати своє положення та що сила магнітосфери змінювалася з часом.

Космічна погода й магнітосфера регулюють населення Землі

Сонячний вітер (SW) і магнітне поле міжпланетного простору (IMF) об'єднуються, створюючи космічну погоду, і населеність планети залежить від того, як космічна погода взаємодіє з нашою магнітосферою. Без міцної магнітосфери Земля залишається незахищеною.

"Це означає, що умови космічної погоди можуть накладати обмеження на вміння Землі й екзопланет захищати свою поверхню магнітосферою, уникаючи водночас впливу зоряного вітру, що стерилізує поверхню", — пишуть автори.

Корональні викиди маси (CME) чинять найруйнівніший вплив на магнітосферу Землі. Коли Сонце випромінює потужний CME, спрямований на Землю, він тимчасово деформує магнітосферу Землі. Денний бік стискається, а нічний бік — подовжується. Більшу частину часу це призводить тільки до потужніших північних сяйв — природного світлового шоу, яке досягає нижчих широт, ніж зазвичай.

Але цей баланс не завжди дотримується. У більш ранній історії Сонце оберталося швидше та мало потужнішу магнітну активність. Оскільки CME викликаються поведінкою Сонця, включно з його обертанням і магнетизмом, у минулому Сонце випромінювало потужніші CME.

"Динамічний тиск сонячного вітру й інтенсивність корональних викидів були набагато вищими на більш ранніх етапах життя Сонця порівняно з нинішнім часом. Отже, збурення, викликані молодим Сонцем у магнітосфері Землі, були сильнішими", — підкреслює Хакобо Варела.

Питання полягає в тому, як саме все це змінювалося з часом і як впливало на придатність планети для життя? Як це вплине на Землю в майбутньому?

"Мета цього дослідження — проаналізувати придатність Землі під час еволюції Сонця", — пояснюють автори. Команда провела низку детальних симуляцій, щоб дослідити взаємодію між Сонцем і Землею за мільярди років історії. Симуляції засновані на встановлених наукових моделях факторів, таких як сила сонячного вітру.

Одним із явищ, що змінюються з часом, є сила магнітного поля Землі, вимірювана в мікротеслах. Нещодавні дані показують, що вона змінюється відповідно до циклу тривалістю 200 мільйонів років. Ці зміни викликані процесами всередині Землі, де формується магнітне поле.

Автори дослідження вивчили, як змінювалася придатність Землі в періоди слабкої, нормальної та високої інтенсивності двополярного магнітного поля.

Також існують періоди, коли змінюється не лише інтенсивність магнітного поля Землі, а і його структура. Іноді Земля переживає часові відрізки, коли її магнітне поле є мультиполярним, а не двополярним. У ці періоди також змінюється сила поля.

Земля переживала періоди низької інтенсивності магнітного поля впродовж протерозойської ери та в періоди кембрію, девону та кам'яновугільного періоду палеозойської ери. Також низька інтенсивність магнітного поля мала місце в тріасовому періоді мезозойської ери. Ці часи відповідають моделям із інтенсивністю всього 5 мікротесл, позначеним червоним кольором.

Періоди трохи сильнішого магнітного поля (15 мікротесл) трапляються в палеоархейській і мезоархейській ерах, протерозойській ері, юрському періоді мезозойської ери та палеогеновому періоді кайнозойської ери. Ці періоди позначені помаранчевим кольором.

"Модель диполя з 30 мкТ становить мезопротерозойську та неоархейську ери, а також періоди неогену та четвертинного періоду мелового періоду крейдяної ери", — пояснюють автори. Ці часи позначені рожевим кольором.

Сила магнітного поля Землі була найвищою в її ранні дні. "Модель диполя з 45 мкТ представляє періоди високої інтенсивності магнітного поля за часів еоархейської ери й архейської ери", — пишуть автори. Ці періоди позначені фіолетовим кольором.

Отже, що з усього цього випливає?

Критичною частиною роботи є визначення відстані магнітопаузи. Ця відстань стискається енергійнішими сонячними вітрами та розширюється, коли сила магнітного поля Землі вища. На малюнку вище (а) показано зменшення відстані магнітопаузи порівняно з (d), коли сила магнітного поля вища.

За часів сильних сонячних вітрів і слабкого магнетизму дистанція магнітопаузи ближча до поверхні Землі, що означає загрозу з боку Сонця для життя на планеті. Якщо ця дистанція зменшиться до нуля, значить, радіація Сонця зможе досягти поверхні, і придатність Землі для життя сильно знизиться.

"Ми доходимо висновку, що вплив космічної погоди на придатність Землі для життя треба розглядати як важливий фактор еволюції", — пишуть автори.

Дослідження показує, як космічна погода й сила магнітного поля Землі змінювалися з часом і впливали на придатність планети для проживання або робили життя складнішим. Воно також показує, що в періоди мультиполярної конфігурації магнітного поля Землі, що передують перевороту полюсів, ми вразливіші перед космічною погодою. Остання інверсія полюсів сталася близько 780 000 років тому, і магнітний щит ослаб. Інверсії можуть займати сотні або навіть тисячі років. Ми все ще захищені під час інверсій, але не так добре. Якщо в цей час відбудеться потужний корональний викид маси, це може спричинити руйнівну геомагнітну бурю.

У далекому майбутньому двополярне магнітне поле Землі ослабне, подібно до того, як це сталося з Марсом. Планета буде менш здатною чинити опір впливу Сонця, і її придатність для життя погіршиться. Зрештою послідовні корональні викиди маси битимуть по поверхні, завдаючи все більше руйнувань у біосфері Землі. З плином часу навіть відносно слабкий сонячний вітер досягне поверхні, і Земля постійно омиватиметься радіацією.

За матеріалами Universe Today.