地球大气层是我们抵御附近超新星的最佳屏障

数十亿年来，地球的大气层保护着生命，创造了一个天堂，进化产生了像我们这样复杂的生命形式。臭氧层在保护生物圈免受致命紫外线辐射方面起着至关重要的作用。它阻挡了太阳99%的强大紫外线输出。地球的磁层也为我们提供庇护。

但是，太阳相对来说比较温和。那么，臭氧和磁层在保护我们免受强大的超新星爆炸方面有多有效？

每一百万年 —— 地球45亿年生命的一小部分 —— 一颗大质量恒星在距离地球100秒差距（326光年）的范围内爆炸。我们之所以知道这一点，是因为我们的太阳系位于太空中一个名为“局部气泡”的巨大气泡中。这是一个洞穴状的空间区域，这里的氢密度比气泡外低得多。在过去的1000万到2000万年里，一系列的超新星爆炸把这个气泡雕刻出来。

超新星是危险的，一颗行星离超新星越近，其影响就越致命。科学家们推测了超新星爆炸对地球的影响，想知道它是否引发了大规模灭绝，或者至少是部分灭绝。超新星的伽马射线爆发和宇宙射线可以耗尽地球的臭氧，并允许电离紫外线辐射到达地球表面。这种影响还会在大气中产生更多的气溶胶颗粒，增加云层覆盖范围，导致全球变冷。

《自然通讯:地球与环境》杂志上的一篇新研究文章研究了超新星爆炸及其对地球的影响。它的标题是“地球的大气层保护生物圈免受附近超新星的影响”。主要作者是来自塞浦路斯尼科西亚塞浦路斯研究所气候与大气研究中心的狄奥多罗斯·克里斯托迪亚斯（Theodoros Christoudias）。

在过去的几百万年里，局部气泡并不是附近核心坍缩超新星（SNe）的唯一证据。海洋沉积物还含有60Fe，这是铁的一种放射性同位素，半衰期为260万年。SNe在爆炸时将60Fe排入太空，这表明附近的一颗超新星在大约200万年前爆炸了。沉积物中也有60Fe，这表明大约800万年前又发生了一次SN爆炸。

研究人员将一次SN爆炸与大约3.7亿年前的泥盆纪晚期物种灭绝联系起来。在一篇论文中，研究人员发现植物孢子被紫外线燃烧，这表明某种强大的东西正在耗尽地球的臭氧层。事实上，在晚泥盆纪灭绝之前，地球的生物多样性下降了大约30万年，这表明多个新石器可能起了作用。

地球的臭氧层在不断地变化。当紫外线能量到达它时，它会将臭氧分子（O3）分解。这就消散了紫外线的能量，氧原子又结合成O3。如此循环往复。这是大气化学的简化版本，但它可以说明这个循环。附近的一颗超新星可能会压倒这个循环，耗尽臭氧层的密度，让更多致命的紫外线到达地球表面。

但在这篇新论文中，克里斯托迪亚斯和他的同事们认为，地球的臭氧层比想象的要有弹性得多，在100秒差距内提供了足够的保护，以抵御SNe。虽然以前的研究人员已经模拟了地球大气层及其对附近SN的反应，但作者说他们已经改进了这项工作。

他们用带有大气化学（EMAC）模型的地球系统模型来模拟地球大气，以研究附近的SNe爆炸对地球大气的影响。作者说，利用EMAC，他们模拟了地球大气的“复杂的大气循环动力学、化学和过程反馈”。这些都需要“模拟平流层臭氧损失对电离升高的反应，导致离子诱导成核和粒子生长到CCN（云凝结核）”。

他们写道：“我们假设附近有一个具有代表性的SN，其大气中的GCR（银河宇宙射线）电离率是目前水平的100倍。”这与100秒差距或326光年外的超新星爆炸有关。

作者解释说：“两极上最大的臭氧消耗比目前南极洲上人为的臭氧空洞要小，后者相当于臭氧柱损失的60-70%。另一方面，对流层中的臭氧有所增加，但完全在近期人为污染造成的水平之内。”

但我们还是开门见山吧。我们想知道，地球的生物圈是否安全。

平流层臭氧消耗的最大平均值是正常电离辐射的100倍，代表附近的SN，全球约为10%。这与我们的人为污染造成的减少大致相同。它不会对生物圈产生太大影响。

作者解释说：“虽然意义重大，但这种臭氧变化不太可能对生物圈产生重大影响，特别是因为发现大部分臭氧损失发生在高纬度地区。”

但这是现代地球的情况。在前寒武纪，在生命以各种形式爆发之前，大气中只有大约2%的氧气。SN会如何影响呢？作者写道：“我们模拟了含氧量为2%的大气，因为这可能代表了陆地上新兴生物圈对臭氧消耗仍然特别敏感的条件。”

作者写道：“中纬度地区的臭氧损失约为10-25%，热带地区则低一个数量级。”。在两极的最低臭氧水平下，SN的电离辐射实际上可能会增加臭氧柱。他们总结道：“我们的结论是，大气臭氧的这些变化不太可能对寒武纪陆地上新兴的生物圈产生重大影响。”

全球变冷呢？

全球变冷会加剧，但不会达到危险的程度。在太平洋和南大洋，CCN可能会增加100%，这听起来很多。“这些变化虽然与气候相关，但与工业化前的原始大气和受污染的现代大气之间的对比相当。”他们说，这将使大气冷却的程度与我们现在加热的程度大致相同。

研究人员指出，他们的研究涉及整个生物圈，而不是个体。他们写道：“我们的研究没有考虑暴露在高电离辐射下对人类和动物造成的直接健康风险。”根据个人情况，随着时间的推移，个人可能会暴露在危险水平的辐射中。但总的来说，尽管紫外线辐射增加了100倍，生物圈仍会正常运转。我们的大气层和磁层可以处理它。

“总的来说，我们发现附近的SNe不太可能导致地球上的大规模灭绝，”作者写道。“我们得出的结论是，地球的大气层和地磁场有效地保护了生物圈，使其免受附近SNe的影响，这使得生命能够在过去的数亿年里在陆地上进化。”

这项研究表明，只要超新星爆炸保持距离，地球的生物圈就不会受到太大的影响。

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