Солнце не находится в неизменном космическом окружении. Вместе со всей Солнечной системой оно движется вокруг центра Млечного Пути и за миллиарды лет проходит через разные области межзвёздного пространства. При этом меняется среда, окружающая Солнечную систему, а вместе с ней может изменяться и область пространства, которую защищает солнечный ветер.
Новые исследования показывают, что эта связь могла иметь значение для истории климата Земли. Компьютерное моделирование указывает, что в прошлом Солнечная система как минимум несколько раз проходила через плотные холодные облака межзвёздного газа и пыли. В определённых условиях такие облака могли сжимать гелиосферу — гигантскую область, создаваемую солнечным ветром, — до размеров меньше земной орбиты. Тогда Земля временно оказывалась за пределами обычной границы солнечной защитной оболочки.
Другое исследование касается ещё более древней истории. Около трёх миллиардов лет назад Солнце было значительно менее ярким, чем сегодня, однако на Земле уже существовала жидкая вода. Этот вопрос известен как парадокс слабого молодого Солнца. Моделирование показывает, что мощные вспышки молодого Солнца могли способствовать химическим реакциям в ранней атмосфере Земли и образованию закиси азота — парникового газа, способного удерживать дополнительное тепло.
Таким образом, история климата Земли могла зависеть не только от процессов на самой планете. На неё влияли и долгосрочное движение Солнечной системы через Млечный Путь, и изменившаяся активность молодого Солнца.
Солнечная система постоянно движется через Млечный Путь
Солнце кажется неподвижным только при наблюдении с поверхности Земли. На самом деле оно является одной из звёзд Млечного Пути и вместе с планетами обращается вокруг центра нашей Галактики.
За примерно 4,6 миллиарда лет существования Солнечной системы её окружение неоднократно менялось. Солнечная система проходила через разные области межзвёздного пространства, которые отличаются плотностью газа, количеством пыли и другими физическими характеристиками.
Это движение важно потому, что Солнце постоянно создаёт вокруг себя огромную область влияния. Солнечный ветер — поток заряженных частиц, непрерывно исходящий от Солнца, — распространяется далеко за пределы орбит планет и формирует гелиосферу.
Гелиосфера не является неподвижной оболочкой с постоянными размерами. Её форма и размеры зависят не только от активности Солнца, но и от свойств окружающей межзвёздной среды. Если внешняя среда становится более плотной, давление с её стороны увеличивается и границы гелиосферы могут смещаться ближе к Солнцу.
Гелиосфера защищает Солнечную систему от части внешней среды
Гелиосферу можно представить как область, внутри которой преобладает влияние солнечного ветра. Она не является полностью непроницаемым щитом и не блокирует абсолютно все частицы и излучение из межзвёздного пространства.
Тем не менее граница гелиосферы имеет большое значение для взаимодействия Солнечной системы с окружающей средой. Солнечный ветер и магнитное поле Солнца изменяют распространение заряженных частиц, приходящих из межзвёздного пространства.
Поэтому изменение размеров гелиосферы способно менять условия, в которых находится Земля. Особенно существенным такой эффект может стать в случае прохождения Солнечной системы через очень плотное межзвёздное облако.
Солнечная система могла несколько раз проходить через холодные облака
Исследователи из центра SHIELD при NASA попытались восстановить, через какие области Млечного Пути могла проходить гелиосфера в прошлом.
Для этого использовалось компьютерное моделирование, позволяющее проследить движение Солнечной системы и оценить, как различные условия межзвёздной среды могли воздействовать на гелиосферу.
Расчёты показали, что за последние несколько миллионов лет Солнце могло как минимум трижды встречаться с очень холодными и плотными облаками межзвёздного газа и пыли. Предполагаемые периоды таких событий относятся примерно к 2–3 миллионам лет назад, 6–7 миллионам лет назад и 13–14 миллионам лет назад.
Речь идёт не о доказанном факте прямого попадания Земли внутрь конкретных облаков. Это результат компьютерного моделирования, сопоставленного с геологическими данными. Исследователи изучают, насколько такая история движения Солнечной системы может согласоваться с обнаруженными на Земле следами изменений окружающей среды.
Плотное облако могло сжать гелиосферу до размеров меньше орбиты Земли
В обычных условиях гелиосфера простирается значительно дальше орбиты Земли. Но если Солнечная система оказывается в особенно плотной межзвёздной среде, внешнее давление на её границу возрастает.
В моделях некоторые холодные облака оказывались достаточно плотными, чтобы существенно сжать гелиосферу. В определённых сценариях её размеры становились меньше радиуса земной орбиты.
Это означает, что Земля в такой период могла находиться за пределами основной области гелиосферной защиты. При этом менялась не орбита самой планеты и не свойства Солнца, а окружающая Солнечную систему межзвёздная среда.
Для климата это важно потому, что изменение гелиосферы способно влиять на условия в околоземном космическом пространстве и на взаимодействие атмосферы Земли с частицами из межзвёздной среды.
Следы древних событий нашли в земных и лунных материалах
Гипотеза о прохождении Солнечной системы через плотные межзвёздные облака интересна не только результатами компьютерных расчётов. У исследователей есть возможность искать физические следы подобных событий в сохранившихся образцах.
В материалах, относящихся к соответствующим временным периодам, обнаруживаются элементы, которые присутствуют в межзвёздной пыли. Подобные признаки были обнаружены в образцах глубоководных морских осадков, антарктического снега и лунных образцах.
Такие находки не позволяют автоматически установить точную причину их появления. Однако совпадение временных интервалов с результатами моделирования делает сценарий прохождения через плотную межзвёздную среду предметом серьёзного научного интереса.
Особенно важно, что речь идёт о разных типах материалов. Земные осадки и снег сохраняют информацию о событиях на нашей планете, а лунные образцы позволяют дополнительно изучать воздействие космической среды вне земной атмосферы.
Изменения климата могли иметь космическую составляющую
За последние десятки миллионов лет климат Земли неоднократно менялся. Особенно заметными были ледниковые эпохи, когда глобальная средняя температура значительно снижалась.
Для объяснения климатических изменений учёные обычно рассматривают совокупность факторов, связанных с самой Землёй и её орбитальным движением. Среди них — изменения параметров орбиты, содержание парниковых газов, состояние ледяного покрова и другие процессы.
Новая работа показывает, что к этому перечню потенциально может добавляться ещё один фактор — изменение межзвёздного окружения Солнечной системы.
В моделях попадание Земли в условия плотного холодного межзвёздного облака приводило к изменениям состояния атмосферы. В частности, увеличивалось содержание водяного пара и менялась динамика верхних слоёв атмосферы. Эти процессы могли влиять на условия у поверхности планеты.
Исследователи рассматривают такой механизм как возможное объяснение некоторых древних климатических изменений, включая периоды оледенения. При этом речь идёт именно о возможном дополнительном факторе, а не о доказательстве того, что конкретная ледниковая эпоха была вызвана исключительно прохождением Солнечной системы через межзвёздное облако.
Почему холодное облако вообще может влиять на Землю
На первый взгляд прохождение через облако межзвёздного газа не должно иметь большого значения для климата. Межзвёздная среда крайне разрежена по земным меркам, а расстояния между звёздами огромны.
Проблема в том, что даже очень разреженное межзвёздное вещество способно влиять на гелиосферу, если его плотность существенно выше той, с которой Солнечная система обычно взаимодействует.
Гелиосфера определяется балансом между потоком солнечного ветра и внешним давлением межзвёздной среды. Если внешнее давление резко увеличивается, граница области, сформированной солнечным ветром, приближается к Солнцу.
В результате планеты оказываются в другой космической обстановке. Это не означает, что на Землю начинает напрямую падать поток холодного газа и немедленно меняется температура поверхности. Воздействие предполагается через изменение гелиосферы и условий взаимодействия атмосферы с частицами и излучением.
Молодое Солнце было гораздо слабее современного
Вторая часть новых исследований касается гораздо более ранней эпохи — примерно трёх миллиардов лет назад.
Солнце постепенно меняет свою светимость в течение своей жизни. Молодые звёзды, подобные Солнцу, светят слабее, чем на более поздних этапах своего существования. Согласно приведённым оценкам, около трёх миллиардов лет назад Солнце имело примерно 70% нынешней яркости.
Возникает очевидная проблема. Если Солнце тогда давало значительно меньше энергии, Земля должна была быть намного холоднее современной. При достаточно слабом солнечном излучении средние условия на поверхности могли бы способствовать глобальному оледенению.
Но геологические данные показывают, что жидкая вода существовала на Земле уже в глубокой древности. Следовательно, климатическая система планеты каким-то образом компенсировала недостаток солнечного тепла.
Эта проблема известна как парадокс слабого молодого Солнца.
Парниковые газы могли компенсировать недостаток солнечного тепла
Один из основных способов объяснить этот парадокс связан с атмосферой. Парниковые газы способны задерживать часть теплового излучения, уходящего от поверхности Земли, благодаря чему средняя температура становится выше, чем была бы при отсутствии такого эффекта.
Для ранней Земли учёные рассматривали различные варианты состава атмосферы и содержания парниковых газов.
Новое исследование обращает внимание на роль солнечной активности. Молодое Солнце могло быть не только менее ярким, но и значительно более активным с точки зрения вспышек и выброса высокоэнергичных частиц.
Именно эти частицы могли участвовать в химических реакциях в атмосфере ранней Земли и способствовать образованию дополнительных парниковых газов.
Молодые звёзды часто переживают мощные супервспышки
Чтобы понять, каким могло быть молодое Солнце, исследователи изучают другие звёзды, похожие на него, но находящиеся на ранних этапах эволюции.
Наблюдения, выполненные космическим телескопом Kepler, показали, что молодые солнцеподобные звёзды способны регулярно испытывать мощные вспышки. Такие события называют супервспышками.
Во время сильной вспышки звезда выбрасывает большое количество энергии и высокоэнергичных частиц. Если молодое Солнце вело себя аналогичным образом, ранняя Земля могла регулярно подвергаться воздействию гораздо более интенсивного потока солнечных частиц, чем современная планета.
Исследователи использовали эту особенность молодых звёзд как основу для модели воздействия солнечных протонов на древнюю атмосферу Земли.
Важна не только энергия вспышки
Для ранней Земли значение имело не просто увеличение количества солнечного света. Солнечные частицы высокой энергии способны участвовать в химических реакциях в атмосфере.
Если такие частицы взаимодействуют с молекулами атмосферных газов, могут образовываться новые соединения. Поэтому активное молодое Солнце могло воздействовать на климат не только непосредственно через излучение, но и косвенно — через изменение химического состава атмосферы.
Именно такой механизм исследователи попытались проверить экспериментально.
Учёные воспроизвели раннюю атмосферу в лаборатории
Для изучения возможных химических процессов исследователи создали в лаборатории смесь газов, которая должна была представлять атмосферу ранней Земли.
В герметичной камере находились молекулярный азот, аммиак, углекислый газ и угарный газ. Затем смесь подвергли воздействию протонов, имитирующих поток высокоэнергичных частиц, связанных с мощными солнечными вспышками.
После облучения в смеси произошли химические изменения. Одним из важных результатов стало образование закиси азота, или N₂O.
Закись азота относится к парниковым газам. В исследовании она рассматривается как потенциально важный компонент атмосферы ранней Земли, который мог помогать планете удерживать тепло в условиях более слабого солнечного излучения.
Закись азота значительно эффективнее углекислого газа как парниковый газ
Закись азота обладает значительно более сильным парниковым эффектом, чем углекислый газ. В рамках представленного исследования указывается, что по способности воздействовать на тепловой баланс она примерно в 300 раз эффективнее углекислого газа.
Однако это не означает, что ранняя атмосфера Земли обязательно содержала закись азота в огромной концентрации. Напротив, часть образовавшегося вещества должна была разрушаться под воздействием интенсивного ультрафиолетового излучения молодого Солнца.
Поэтому исследователи отдельно рассмотрели сценарий, при котором сохраняется лишь небольшая доля образовавшейся закиси азота.
Даже небольшого количества закиси азота могло хватить для потепления
Компьютерные расчёты показали, что даже если после воздействия солнечных частиц сохранялось только около 10% закиси азота, полученной в лабораторном эксперименте, этого могло быть достаточно для заметного потепления.
В модели температура в экваториальных районах могла достигать примерно 5 °C. Это значение выше точки замерзания воды.
Такие расчёты не означают, что вся поверхность древней Земли имела именно такую температуру. Модель рассматривает конкретные условия и определённый механизм потепления. Поэтому результат нельзя превращать в утверждение о точной глобальной температуре Земли три миллиарда лет назад.
Главный вывод заключается в другом: химические реакции, инициированные высокоэнергичными частицами молодого Солнца, потенциально могли создать дополнительный парниковый эффект, достаточный для существенного смягчения последствий слабой солнечной светимости.
Солнечная активность могла одновременно влиять на климат и химию
У молодого Солнца была особая роль. Оно давало меньше света, но при этом могло быть гораздо более активным с точки зрения вспышек.
Это сочетание кажется парадоксальным: менее яркая звезда могла сильнее воздействовать на атмосферу своей планеты за счёт частых мощных вспышек и высокоэнергичных частиц.
С точки зрения ранней Земли такой механизм имеет большое значение. Солнечные частицы могли запускать химические реакции, а продукты этих реакций влияли на состав атмосферы и её способность удерживать тепло.
Таким образом, воздействие молодого Солнца нельзя оценивать только по его светимости. Для климата Земли могли иметь значение одновременно несколько характеристик солнечной активности.
Химия атмосферы могла иметь значение и для предбиологической химии
Исследователи рассматривают ещё один возможный эффект образования закиси азота и связанных с ней химических процессов.
В эксперименте и последующем моделировании были получены условия, при которых температуры немного выше точки замерзания воды могли существовать на ранней Земле. Такие умеренно холодные условия имеют значение не только для климата.
Исследования химических процессов, связанных с образованием сложных молекул, показывают, что температуры немного выше точки замерзания могут быть эффективнее для формирования длинных цепочек аминокислот, чем более высокие температуры.
Это относится к предбиологической химии — процессам, которые могли происходить до появления первых живых систем. Однако данное исследование не доказывает, что солнечные вспышки непосредственно вызвали возникновение жизни.
Оно показывает лишь возможную связь между активностью молодого Солнца, химией древней атмосферы и условиями, в которых могли протекать определённые предбиологические реакции.
Два исследования показывают одну важную связь
На первый взгляд две рассмотренные работы посвящены совершенно разным эпохам и механизмам.
Первая исследует относительно недавнюю геологическую историю Земли и влияние движения Солнечной системы через Млечный Путь. Вторая обращается примерно на три миллиарда лет назад и рассматривает воздействие мощных вспышек молодого Солнца на атмосферу ранней Земли.
Но у них есть общий вывод: климат планеты нельзя полностью рассматривать изолированно от её звезды и космического окружения.
Земля действительно имеет собственную климатическую систему, на которую влияют атмосфера, океаны, ледяной покров, геологические процессы и орбитальные параметры. Однако условия вокруг самой Солнечной системы тоже меняются.
В одном случае меняется внешняя межзвёздная среда и размер гелиосферы. В другом — свойства самого Солнца и характер его взаимодействия с атмосферой молодой Земли.
Земля находится внутри постоянно меняющейся космической среды
Гелиосфера часто воспринимается как постоянная оболочка вокруг Солнечной системы. На самом деле её размеры и форма меняются.
Солнечный ветер зависит от активности Солнца, а внешняя граница гелиосферы определяется взаимодействием с межзвёздной средой. Поэтому Солнечная система движется не просто через пустое пространство, а через постоянно меняющееся окружение.
На протяжении миллиардов лет это окружение могло становиться то более плотным, то более разреженным. Встречи с межзвёздными облаками могли временно менять размеры гелиосферы, а следовательно, и условия, в которых находились планеты.
Это не означает, что каждый проход Солнечной системы через другую область Млечного Пути автоматически приводил к климатическим изменениям на Земле. Для заметного эффекта необходимы достаточно специфические условия, в частности высокая плотность окружающей среды.
Новые модели не отменяют земные причины изменения климата
Важно правильно интерпретировать результаты исследований. Они не говорят о том, что климат Земли в прошлом определялся исключительно Солнцем или межзвёздными облаками.
На протяжении геологической истории климат менялся под воздействием множества факторов. Орбитальные изменения, концентрация парниковых газов, вулканическая активность, состояние ледников и океанов способны существенно менять климатическую систему.
Исследование гелиосферы предлагает дополнительный внешний механизм, который мог воздействовать на Землю в определённые периоды.
Точно так же исследование молодого Солнца не исключает другие объяснения парадокса слабого молодого Солнца. Состав атмосферы ранней Земли, геологические процессы и другие источники парникового эффекта также имеют значение.
Поэтому оба исследования расширяют набор возможных факторов, а не заменяют существующие модели единственным новым объяснением.
Что особенно важно проверить в будущем
Для гипотезы о влиянии межзвёздных облаков важны дальнейшие исследования геологических и космических материалов. Чем точнее удастся определить возраст обнаруженных следов межзвёздного вещества и сопоставить его с моделями движения Солнечной системы, тем лучше можно будет проверить предложенный сценарий.
Не менее важна физическая модель самой гелиосферы. Исследователи из центра SHIELD создают её цифровую модель, которая должна позволить изучать взаимодействие солнечного ветра с различными вариантами межзвёздной среды.
Такое моделирование позволит более подробно оценивать, как плотность внешнего газа влияет на размеры гелиосферы и какие последствия это может иметь для планет.
Для древней Земли ключевыми остаются лабораторные эксперименты и модели атмосферы. Необходимо учитывать не только образование закиси азота, но и её разрушение под воздействием ультрафиолетового излучения, а также другие химические процессы ранней атмосферы.
История климата Земли оказалась связана с историей Солнца и Галактики
Новые исследования показывают, насколько тесно связана история Земли с окружающей её космической средой.
Когда Солнце было молодым и значительно менее ярким, его мощные вспышки могли способствовать образованию парниковых соединений в атмосфере Земли. Это могло помочь сохранить условия, при которых жидкая вода существовала несмотря на более слабое солнечное излучение.
Миллиарды лет спустя сама Солнечная система продолжала двигаться через Млечный Путь и могла проходить через плотные холодные области межзвёздного пространства. В некоторых моделях такие облака были способны сжимать гелиосферу до размеров меньше земной орбиты, временно меняя космическое окружение нашей планеты.
Оба результата пока не превращают космические факторы в универсальное объяснение климатической истории Земли. Однако они показывают, что планета не существует в изоляции. Её климат и атмосфера развивались внутри системы, в которой менялись и само Солнце, и окружающее его межзвёздное пространство.
Поэтому для понимания далёкого прошлого Земли недостаточно изучать только горные породы, океаны, атмосферу и орбиту планеты. Необходимо учитывать и историю Солнца, и его движение через Галактику. Именно взаимодействие всех этих факторов формировало ту космическую среду, в которой на протяжении миллиардов лет развивалась наша планета.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
