附近的超新星爆炸會威脅到地球上的生命嗎？

數十億年來，地球的保護性大氣層一直庇護著生命，創造了一個避風港，進化產生了像我們這樣的復雜生命形式。

這臭氧層在保護生物圈免受致命的紫外線輻射方面起著關鍵作用。它阻擋了太陽99%的強大紫外線輸出。地球的磁層也為我們提供庇護。

但太陽相對溫和。臭氧層和磁層在保護我們免受強大的超新星爆炸的傷害方面有多有效？

每百萬年——地球 45 億年壽命的一小部分——一顆大質量恒星就會在距離地球 100 秒差距（326 光年）的范圍內爆炸。我們之所以知道這一點，是因為我們的太陽系位于太空中一個巨大的氣泡內，稱為本地氣泡.

這是一個海綿狀的空間區域，氫密度遠低于氣泡外。在過去的1000萬到2000萬年中，一系列超新星爆炸形成了這個氣泡。

超新星是危險的，一顆行星離超新星越近，它的影響就越致命。科學家們推測了超新星爆炸對地球的影響，想知道它是否引發了大規模滅絕或至少部分滅絕。

超新星的伽馬射線暴和宇宙射線會消耗地球的臭氧，并使電離紫外線輻射到達地球表面。這些效應還會在大氣中產生更多的氣溶膠顆粒，增加云層覆蓋并導致全球變冷。

一篇新的研究文章自然通訊地球與環境研究超新星爆炸及其對地球的影響。它的標題是”地球大氣層保護生物圈免受附近超新星的影響。"

主要作者是來自塞浦路斯尼科西亞塞浦路斯研究所氣候與大氣研究中心的Theodoros Christoudias。

局部氣泡并不是過去幾百萬年中附近核心坍縮超新星（SNe）的唯一證據。海洋沉積物還含有⁶⁰鐵，鐵的放射性同位素，半衰期為260萬年。

SNe 驅逐⁶⁰當它們爆炸時，Fe進入太空，表明附近的一顆超新星在大約200萬年前爆炸。還有⁶⁰沉積物中的鐵表明大約800萬年前的另一次SN爆炸。

這張來自研究文章的圖表顯示了附近超新星對大氣和氣候的潛在影響。伽馬射線會消耗臭氧，使更多的紫外線輻射到達地球表面。一些紫外線輻射是電離的，這意味著它會破壞DNA。宇宙射線還可以產生更多的凝結核，這意味著更多的云層和潛在的全球冷卻。（Christoudias 等人，2024 年）

研究人員將SN爆炸與晚泥盆世滅絕大約3.7億年前。在一篇論文中，研究人員發現植物孢子被紫外線灼傷，這表明某種強大的東西耗盡了地球的臭氧層.

事實上，在晚泥盆世滅絕之前，地球的生物多樣性下降了大約30萬年，這表明多個SNe可能發揮了作用。

地球的臭氧層在不斷變化。當紫外線能量到達它時，它會分解臭氧分子（O3）。這消散了紫外線能量，氧原子再次結合成 O3。循環往復。

這是所涉及的大氣化學的簡化版本，但它有助于說明循環。附近的超新星可能會壓倒這個循環，耗盡臭氧柱的密度，并允許更致命的紫外線到達地球表面。

但在這篇新論文中，Christoudias和他的同事們認為，地球的臭氧層比想象的要有彈性得多，并且在100秒差距內提供了足夠的SNe保護。

雖然以前的研究人員已經模擬了地球的大氣層及其對附近SN的反應，但作者說他們已經改進了這項工作。

他們使用具有大氣化學的地球系統模型（EMAC）模型模擬了地球大氣層，以研究附近SNe爆炸對地球大氣層的影響。

作者說，使用EMAC，他們已經模擬了地球大氣層的“復雜的大氣環流動力學，化學和過程反饋”。

這些需要“模擬平流層臭氧損失，以響應電離升高，導致離子誘導的成核和顆粒生長為CCN”（云凝結核）。

他們寫道：“我們假設附近有一個具有代表性的SN，其大氣中的GCR（銀河宇宙射線）電離率是現有水平的100倍。這與大約100秒差距或326光年外的超新星爆炸有關。

研究信中的這些面板顯示，臭氧柱百分比從GCR強度比標稱值增加100倍開始下降。左縱軸表示地球的緯度，x軸表示一年中的時間。由于地球磁層的影響，兩極的臭氧損失更為明顯，而地球磁層的強度較弱。a 是現代地球，而 b 代表前寒武紀只有 2% 氧氣的古代地球。（Christoudias 等人，2024 年）

作者解釋說：“兩極上空的最大臭氧消耗量小于目前南極洲上空的人為臭氧空洞，這相當于臭氧柱損失60-70%。

“另一方面，對流層中的臭氧有所增加，但它完全在最近人為污染造成的水平之內。

但是，讓我們切入正題。我們想知道地球的生物圈是否安全。

全球電離輻射比正常水平高出100倍的最大平均平流層臭氧消耗量約為10%。這與我們的人為污染造成的減少量大致相同。它不會對生物圈產生太大影響。

“雖然意義重大，但這種臭氧變化不太可能對生物圈產生重大影響，特別是因為大部分臭氧損失發生在高緯度地區，”作者解釋說。

但那是針對現代地球的。在前寒武紀時期，在生命以多種形式爆發之前，大氣中只有大約2%的氧氣。SN將如何影響這一點？

“我們模擬了2%的氧氣大氣，因為這可能代表了陸地上新興生物圈仍然對臭氧消耗特別敏感的條件，”作者寫道。

“中緯度地區的臭氧損失約為10-25%，熱帶地區則低一個數量級，”作者寫道。在兩極的最低臭氧水平下，來自SN的電離輻射實際上最終可能會增加臭氧柱。

“我們得出的結論是，大氣臭氧的這些變化不太可能對寒武紀期間陸地上新興的生物圈產生重大影響，”他們總結道。

全球變冷呢？

全球降溫將會增加，但不會達到危險的程度。在太平洋和南大洋上空，CCN可能會增加100%，這聽起來很多。“這些變化雖然與氣候有關，但與原始工業化前的大氣和當今受污染的大氣之間的對比相當。

他們說它能使大氣冷卻的量與我們現在加熱的大氣量大致相同。