Главная   |   Как нас найти   |   Обратная связь   |   Контакты  


 ОАК-2018 

Одесский Астрономический Календарь 2018 г.
Представлено 17 сентября 2017 г.

КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ И ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ:
ПРОШЛОЕ И БУДУЩЕЕ

 Л.И. Мирошниченко

Аннотация

       Кратко излагаются современные представления о возможной роли космических лучей галактического и солнечного происхождения в зарождении жизни на Земле и эволюции биосферы. Основное внимание уделяется резким изменениям (всплескам) радиационного фона у Земли в результате вспышек Сверхновых звёзд в Галактике и супервспышек на Солнце.   

1. Введение

         Не вызывает сомнений, что космическое окружение Земли в прошлом неизбежно оказывало прямое и/или косвенное влияние на зарождение  жизни и эволюцию биосферы. К космическим факторам относят потоки газа и пыли, кометы и астероиды, космические лучи (энергичные частицы галактического и/или солнечного происхождения), межпланетную плазму (солнечный ветер) и электромагнитные излучения различных энергий (длин волн, частот). Большой интерес представляют радиационные условия и их вариации, особенно в отдалённом прошлом (на геологической шкале времени). При этом важнейшим и непременным условием для существования земной биосферы является Солнце, которое также может быть источником опасных излучений.

     Ниже суммируются данные наблюдений и результаты исследовательских работ, проведенных и/или опубликованных, в основном, после 2012 г. Эти исследования находятся фактически в пограничной области между астробиологией и «космической погодой». Основное внимание уделено космическим лучам (КЛ) галактического и солнечного происхождения (ГКЛ и СКЛ

2. Космические лучи в прошлом

Ранее [1-8] нами была описана история и различные аспекты проблемы «Космические лучи и биосфера», а также рассмотрены основные экспериментальные данные о влиянии КЛ на эволюцию биосферы. В частности, были рассмотрены регулярные вариации ГКЛ в далёком прошлом Солнечной системы (по метеоритным данным), возможная частота спорадических событий, а именно, взрывов Сверхновых и гигантских солнечных вспышек. В этой области исследований всё ещё остаётся немало астрофизических и биологических проблем, требующих изучения с современных позиций, с учётом новых моделей структуры и эволюции Галактики, а также экспериментальных указаний о важной роли КЛ в эволюции биосферы. Осуществляемые в настоящее время и планируемые на ближайшие годы программы космических исследований укрепляют наши надежды на лучшее понимание основ Астробиологии. В частности, вклад ближайших звёзд-карликов в поток КЛ на орбите Земли, по-видимому, должен быть пересмотрен в свете новейших данных, полученных в эксперименте PAMELA [9].

При оценке роли и вклада ГКЛ необходимо учитывать реальную шкалу времени для изучаемых этапов эволюции биосферы (Таблица 1). Фактический «возраст» наблюдаемых потоков ГКЛ ограничен величиной 10-100 миллионов лет (подробнее см. [1, 7]).  Это означает, что при пересечении Солнцем галактических рукавов в процессе его движения вокруг центра Галактики земная биосфера могла подвергаться воздействию ГКЛ разной интенсивности, возраста и происхождения. Между тем, уже во времена Ч. Дарвина (и даже ранее) появились данные о том, что в развитии биосферы, по-видимому, нельзя исключать неравномерностей («скачков»). К ним можно отнести известный Кембрийский «взрыв» (КВ) - резкое (по геологическим меркам) увеличение количества многоклеточных, обитавших на Земле, около 540-480 миллионов лет назад [6, 7]. Сам Дарвин (1859) вынужден был признать это событие единственным, но тяжелейшим вызовом его теории эволюции. С другой стороны, поскольку ряд космических факторов имеют случайную и/или спорадическую природу (кометы, астероиды, вспышки Сверхновых звёзд, солнечные вспышки), то представляется вероятным, что и развитие биосферы не было равномерным.

 

Таблица 1. Геологическая шкала времени и биосфера Земли [6].

                  

День (сутки)

105 с

Длительность жизни человека

109 с (100 лет)

Возраст цивилизации

104 лет

Длительность существования человека

106 лет

Последняя инверсия геомагнитного поля

7.8×105 лет

Возраст галактических космических лучей (ГКЛ)

≤108 лет

Длительность существования млекопитающих

108 лет

Кембрийский взрыв

5.4×108 лет

Длительность существования многоклеточных организмов

(2.0-2.5)×109 лет

Длительность существования биосферы (возникновение одноклеточных водорослей)

3.5×109 лет

Возраст Земли

(4.54±1%)×109 лет

 

      Если возраст Земли ((4.54±1%)×109 лет) принять за сутки, то жизнь на Земле существует всего 17.5 часа, млекопитающие – около 30 минут, а человек – только последние 18 секунд. Возраст ГКЛ, регистрируемых у Земли в настоящее время, по этой шкале не превышает получаса.

До последнего времени считали, что КВ является аномалией [4], несовместимой с современными представлениями об эволюции биосферы. Внезапное, почти одновременное возникновение многих групп животных в Кембрийский период получило название «дилеммы Дарвина», так как подобная аномалия не могла возникнуть в рамках естественного отбора. До сих пор одно из самых популярных объяснений  КВ – это быстрый переход животных к минеральному экзоскелету из-за увеличения концентрации солей кальция. Американские геологи предложили своё объяснение этому явлению [10]. По их мнению, причиной «взрыва» могло стать изменение ионного состава морской воды по чисто геологическим причинам -  обнажение древних слоев и их реакция с водой и кислородом. По-видимому, к концу исследуемого периода в воду попало много кальция, железа, кремния и калия. При этом организмы приспособились использовать новые материалы для собственных нужд - возникло явление биоминерализации.

До сих пор, однако, ни одного надежного анализа скорости самого «взрыва» не проводилось, - она считалась просто очень высокой. Чтобы оценить эту принципиально важную величину, австралийские учёные-палеонтологи [11] провели количественный анализ скорости эволюции членистоногих, разделение которых на крупные группы произошло как раз в Кембрийский период. Было установлено, что скорость эволюции в Кембрийский период хоть и была высокой, но на самом деле не является аномальной: она оказалась примерно в 4.0-5.5 раза больше, чем скорость эволюции в последующие периоды. Таким образом, Кембрийский взрыв вполне можно примирить с теорией эволюции Дарвина. Заметим, кстати, что по метеоритным данным (см. подробнее [5]), поток ГКЛ в эпоху Кембрийского взрыва был примерно в 3 раза ниже, чем в настоящее время…


     С другой стороны, в протекании природных процессов наблюдается определённая ритмика, причём на больших интервалах времени различные процессы могут даже синхронизироваться по иерархическому принципу, при наличии сильного ритмозадающего источника (например, активности Солнца). В этом свете многие факты из области гелиобиологии [3] могут быть адекватно истолкованы на основе концепции эволюционно-адаптационного синдрома [4]. Отсюда следует, что наряду с поиском новых данных о космофизических факторах, остаются актуальными, по крайней мере, три задачи [6]: 1) построение теоретических моделей с учетом возможных интенсивностей излучений, воздействовавших на биосферу в прошлом; 2) выяснение радиационных условий на поверхности Земли и особенностей поведения биосферы в периоды инверсий геомагнитного поля (в качестве «макета» для проведения соответствующих расчётов уровня радиации можно взять магнитосферу Урана); 3) изучение современного отклика биосистем на космофизические факторы как атавистической реакции на изменение условий среды обитания.

      3. Вспышки Сверхновых звёзд и земная биота

      Вклад от вспышек Сверхновых (SN) всё ещё остаётся под вопросом. Их возможное влияние на атмосферу Земли (и – косвенно – на биосферу) может осуществляться несколькими путями (каналами) [12-14] – через электромагнитное излучение (гамма-, рентгеновское, УФ и видимый свет) и космические лучи (КЛ) галактического и солнечного происхождения  (ГКЛ и СКЛ, соответственно). Воздействие этих астрофизических факторов на земную атмосферу осуществляется за счёт эффектов ионизации. Основными ионизующими агентами являются гамма-лучи, ГКЛ и СКЛ, причём их относительный вклад в ионизацию зависит от высоты в атмосфере. Например, из-за существенных различий в крутизне энергетических спектров, СКЛ (мягкий спектр) ионизуют в основном стратосферу, тогда как ГКЛ, с их более жёстким спектром, способны ионизовать всю атмосферу, включая тропосферу. 

    Авторы [13] суммировали имеющиеся наблюдательные данные, полуэмпирические и теоретические (модельные) оценки и пришли к выводу, что вспышки Сверхновых в Галактике могут вызвать существенное повышение яркости у Земли в синей области спектра на период порядка нескольких недель. Это повышение могло бы представлять опасность для земной биоты, если бы событие наблюдалось на ночном небе. Однако, вряд ли такое событие можно обнаружить по данным об ископаемых остатках (fossil records). При этом эффектами от прямого УФ-излучения, рентгеновых лучей и гамма-излучения от Сверхновых, например, типа IIP, или от их остатков, по-видимому, можно полностью пренебречь (Сверхновые типа IIP считаются наиболее общей разновидностью SN с электронным захватом, ECSN [13]).

   С другой стороны, вспышки (взрывы) Сверхновых, которые по-прежнему считаются основным источником ГКЛ, могут существенно повысить общий радиационный фон вблизи Земли и на её поверхности [13], однако модельные расчёты сильно зависят от исходных предположений о частоте вспышек SN, а также их удалённости от Земли. Трудно разрешимой задачей является проблема переноса ГКЛ в магнитных полях Галактики. Другой сценарий воздействия ГКЛ от Сверхновых на земную жизнь (через истощение озонного слоя, образование облаков, частоту гроз, изменение параметров глобальной цепи атмосферного электричества и т.п.) также широко обсуждается в литературе (см., например, [15-17]). Однако имеющиеся результаты исследований по данным наблюдений и модели, в которых изучается связь между космическими лучами, облачностью и климатом, остаются весьма противоречивыми [16], а сами связи пока не находят реального понимания и не поддаются однозначному объяснению [17]. 

    Насколько известно автору, в настоящее время нет надёжных наблюдательных свидетельств экстремальных событий в интенсивности ГКЛ на орбите Земли, вызванных взрывами Сверхновых в нашей Галактике. Численное моделирование показывает только, что взрыв SN на расстоянии 40 парсек (pc) может вызвать увеличение интенсивности ГКЛ (в максимуме спектра) всего на 15%, но на срок около 100 тысяч лет (kyr). Если расстояние до Сверхновой не превышает 30 pc, то увеличение интенсивности составит уже около 25% (детали и ссылки см., например, в [14]). Ранее рассматривались модели вспышек SN на расстояниях даже ≤10 pc  (например, [18]). Авторы [13] существенно пересмотрели оценки  [18] в пользу увеличения расстояний вплоть до 50 pc. При этом учитывались величина и характер магнитных полей Галактике (регулярная или турбулентная природа).  

    Последние наблюдения в оптическом диапазоне, а также  наблюдения нейтрино, относятся к SN 1987A за пределами нашей Галактики (в Большом Магеллановом Облаке, Large Magellanic Cloud) на расстоянии около 51.4 kpc от Земли (кстати сказать, эта SN относится как раз к типу IIP). 

4. Древние вспышки на Солнце и биосфера

      Радиационные условия вблизи Земли, возмущения в ионосфере, состояние озонного слоя, ионизация верхней атмосферы (стратосферы) и другие геофизические явления во многом  определяются вариациями  потоков энергичных частиц [3], которые ускоряются на Солнце или вблизи него (СКЛ).  На орбите Земли эти частицы регистрируются в виде солнечных протонных событий (СПС). Масштабы и значимость таких событий (их геоэффективность) меняются в зависимости от уровня солнечной активности (СА). Частота регистрации СПС зависит от текущей стадии 11-летнего цикла СА (спад или подъём) [2, 3]. Особый интерес представляют экстремально мощные солнечные вспышки и «древние» протонные события [5, 19], частота и мощность которых могла быть различной в различные эпохи эволюции Солнца, в частности, в эпоху «молодого» Солнца, при другом уровне его активности. Мощность СПС обычно оценивают по интегральным значениям (флюенсам) потока частиц СКЛ за всё время конкретного события. Наши оценки [19] указывают на крутой обрыв функции распределения СПС в области малых вероятностей (т.е. больших флюенсов СКЛ). Это следует из анализа всех имеющихся (косвенных и прямых) данных о СКЛ за последние ~1200÷1300 лет [19, 20]. Для экстраполяции этих результатов в прошлое и будущее нужны соответствующие модели «раннего» и «позднего» Солнца.

    Косвенные данные о потоках СКЛ в прошлом могут быть получены из природных архивов (нитраты в антарктическом и арктическом льдах, радиоуглерод 14С в кольцах деревьев, другие космогенные изотопы) [3, 5, 19]. К настоящему времени имеются данные об экстремальных СПС за период более 1200 лет, начиная с 775 года н.э. Среди таких событий наиболее известна вспышка 1 сентября 1859 г. («событие Кэррингтона», СК, или AD1859) [21]. Это событие до последнего времени считалось «наихудшим случаем» с точки зрения радиационной опасности на орбите Земли.

      Что касается недавно идентифицированного события 775 г. [20], то наша оценка флюенса Φ солнечных протонов с энергией ≥ 30 МэВ (2.96×109 см-2) на порядок ниже [19], чем флюенс для СК (1.88×1010 см-2). Однако, если следовать модели события [22], то получим величину (2.0÷3.0)×1010 см-2, сравнимую с флюенсом СК. Скорее всего, суммарный флюенс события AD775 был связан с сильным (но не исключительно сильным) СПС (или серией СПС) [19, 20].

      С другой стороны, имеющиеся оценки флюенсов по древним СПС (например, [23, 24]), основанные на  сценарии и спектре крупнейшего в истории прямых наблюдений события 23 февраля 1956 г.,  представляются не вполне убедительными. Так, значения Φ(≥30 МэВ) оценивались в [23]  по «археологическим» данным о космогенных изотопах 14С и 10Ве. При этом предполагалось, что событие-кандидат развивалось по так называемому «сценарию GLE05», т.е. по сценарию известного события 23 февраля 1956 г., которое до сих пор считается самым большим по потоку и флюенсу частиц в области релятивистских энергий. Заметим, однако, что «сценарий GLE05» уязвим для критики – прежде всего потому, что спектр нерелятивистских протонов 23 февраля 1956 г. был довольно пологим, а флюенс  Φ(≥30 МэВ) достигал всего  ~109 см-2 [25].

      Несколько лет назад радиоуглеродным методом были обнаружены определённые признаки возрастания интенсивности КЛ около 774-775 годов нашей эры (ниже это событие для краткости обозначено как AD775). Данные были получены по содержанию 14С в кольцах старых деревьев в Японии, Европе, России и Америке, причём почти одновременно тремя независимыми группами исследователей [26-28]. До настоящего времени наибольшими значениями флюенса Φ(≥30 МэВ), полученными по этим данным, считались величины от (2.07-2.96)×1010 см-2 [19] до (4.5-8.0)×1010 см-2 [24]. Недавно в работе [29] эти оценки были пересмотрены, и теперь наиболее вероятным значением  Φ(≥30 МэВ) для AD775, по-видимому, можно принять величину ~2.8×1010 см-2. Нетрудно видеть, что это значение практически совпадает с нашей более ранней оценкой  [19]. Как бы то ни было, представляется очевидным, что теперь на роль «наихудшего случая» может претендовать событие AD775. 

      Вскоре после включения в научный оборот данных [21] возникли большие сомнения и начались ожесточённые споры о надёжности оценок Φ(≥30 МэВ) для события AD1859 (см., в частности,  [30, 31]). В случае события AD775 существовали сомнения  даже о природе самого источника (см., например, [27, 29, 32]).  Это и не удивительно, ведь «цена вопроса» очень высока – и с астрофизической, и с прикладной точек зрения.  Несмотря на сомнения и споры, ниже мы используем все имеющиеся оценки, чтобы, в развитие результатов [19],  построить новую функцию распределения СПС (Рис.1) по интегральным флюенсам Φ(≥30 МэВ) в максимально доступном диапазоне значений флюенса, с учётом последних оценок [29].

 

 

Рис.1. Функция распределения вероятности СПС по интегральным флюенсам протонов Φ(≥30 МэВ), с учётом данных о «древних» экстремальных событиях. Красные точки - данные  прямых спутниковых измерений («космическая эра»); голубые ромбы – оценки, полученные нитратным методом [21], включая событие Кэррингтона; синий прямоугольник – это событие AD775, согласно новейшей оценке для флюенса [29]; лиловые треугольники справа (полный и пустой) - экстраполяция интегральных флюенсов Φ(≥30 МэВ) в прошлое на 1 млн. и 100 млн. лет, соответственно (оценено в [19] по данным [33] для протонов ≥60 МэВ).  

      Таким образом, появление принципиально новых архивных данных о «древних» протонных событиях  позволяет существенно продвинуться в практически важной проблеме – оценке вероятности появления у Земли «экстремальных» потоков СКЛ (по крайней мере, при среднем уровне СА в современную эпоху). Эти данные позволяют также развить новый подход к концепции «наихудшего случая», причём события AD1859 и AD775 обеспечивают решающие точки для соответствующей нормировки. Такая перспектива представляется весьма многообещающей для моделирования и расчётов радиационных доз.

      В целом, однако, имеющиеся данные наблюдений по СКЛ пока не позволяют точно оценить максимальные возможности солнечного ускорителя. Это существенно ограничивает экстраполяцию полученных результатов в прошлое и будущее, на периоды с уровнем солнечной активности, отличным от современного уровня [5]. Тем не менее,  данные о солнечных космических лучах и их геофизических эффектах позволяют лучше понять механизмы солнечно-земных связей [3]. В свою очередь, это важно для моделирования эволюции биосферы Земли в прошлом и будущем [4], а также для  поиска возможных очагов жизни на Марсе и других телах Солнечной системы [5]. В конечном счёте, при более реалистичной модели Солнца станет возможным более уверенное обсуждение роли факторов, влияющих на происхождение и эволюцию жизни на Земле. 

5. Вероятность супервспышек на Солнце

      В тесной связи с проблемой экстремально больших СПС в прошлом находится вопрос: может ли современное Солнце генерировать супервспышку с флюенсом протонов Φ (≥30 МэВ) значительно большим, или даже много большим, чем событие AD775? При нашем нынешнем понимании проблемы, прямого ответа на этот вопрос не существует. Тем не менее, имеющиеся данных о вспышках на других звёздах, подобных Солнцу [34], согласно результатам анализа их распределения [35], позволяют утверждать, что Солнце может генерировать супервспышки с энергией 1034 эрг примерно один раз за 800 лет. Разумеется, эти оценки не являются бесспорными, причём они затрагивают уже фундаментальные проблемы звёздной эволюции, моделей динамо, природы солнечной активности и т.п. (см., например,  [36]). Все эти вопросы, несомненно, заслуживает более глубокого изучения, но это уже выходит за рамки данной короткой статьи.

6. Заключительные замечания

      Затронутая нами тема слишком сложна и обширна, чтобы можно было делать окончательные выводы. Тем не менее, уместно привести несколько заключительных замечаний.

       1. Для примера упомянем вопрос о вариациях радиационного фона в окрестности Земли во время переполюсовок (инверсий) геомагнитного поля (см. также выше раздел 2). В 1960-ые годы появились оценки (например, [37]), согласно которым увеличение интенсивности КЛ при уменьшении геомагнитного поля (ГМП) при инверсии не вносят существенного вклада в биосферные процессы.  К настоящему же времени изменились сами представления об инверсии: сейчас считают (и это – главное), что полного исчезновения ГМП в действительности не происходит [38]. Характерное время обращения (инверсии) направления геомагнитного диполя составляет порядка 105 лет. По-видимому, этот процесс является случайным. Это одна из самых интригующих загадок нелинейной магнитной динамики Земли. Было бы наивным представлять себе обращение как переворот вектора дипольного магнитного момента, конец которого «проскакивает» по всем широтам. Скорее всего, в период обращения ГМП усложняется, становится мало похожим на дипольное, другие гармоники имеют сравнимую величину. Об этом говорит тот факт, что амплитуда полного поля при обращении понижается до 10% и менее, тогда как  в обычном состоянии на дипольную моду приходится около 90% напряженности. В свете этих новых представлений оценки [37] должны быть пересмотрены, и эта задача была нами уже сформулирована выше.

     2. Что касается эволюции биосферы в далёком прошлом Земли, то ряд соответствующих задач был отмечен недавно в коллективной монографии [40], где рассматривается  проблема «Жизнь и Вселенная» в целом, включая парадокс «молодого Солнца», физические условия на ранней Земле и происхождение жизни (совместимые модели).

    3. В связи с обнаружением экзопланет, прежде всего, с астрофизической точки зрения, представляют интерес оценки радиационных условий в окружении других звёзд (см., например, [39]).

 



Вверх    Назад