Πώς η Ατμόσφαιρα της Γης προστατεύει από κοσμικές καταστροφές

Η έρευνα για την κατανόηση του κλίματος του πλανήτη μας και των παραγόντων που το επηρεάζουν έχει οδηγήσει τους επιστήμονες σε πολλά ενδιαφέροντα μονοπάτια. Ένα τέτοιο μονοπάτι είναι η διερεύνηση των κοσμικών ακτίνων και των πιθανών επιπτώσεών τους στο κλίμα της Γης, ακόμη και σε γεγονότα μαζικού αφανισμού. Στην πρώτη γραμμή αυτής της έρευνας βρίσκεται το πείραμα CLOUD στο CERN, ένα πρωτοποριακό έργο που σχεδιάστηκε για να διερευνήσει την επίδραση αυτών των σωματιδίων υψηλής ενέργειας στην ατμόσφαιρά μας, στο οποίο συμμετέχουν ερευνητές του Κέντρου Αριστείας για την Κλιματική και Ατμοσφαιρική Έρευνα (CARE-C) του Ινστιτούτου Κύπρου (ΙΚυ).

Αν και ο ήλιος εκπέμπει φορτισμένα σωματίδια χαμηλής ενέργειας, οι πιο ενεργητικές κοσμικές ακτίνες προέρχονται από υπερκαινοφανείς (σουπερνόβα) – τεράστιες εκρήξεις που σηματοδοτούν το θάνατο των άστρων. Μια σουπερνόβα εμφανίζεται κάθε περίπου ένα αιώνα στον Γαλαξία μας, προκαλώντας μια σταθερή βροχή κοσμικών ακτίνων που πέφτουν στη Γη.

Ωστόσο, εάν μια σουπερνόβα εμφανιζόταν κοντά στη Γη, θα μπορούσε να προκαλέσει μεγάλη αύξηση στη ροή των κοσμικών ακτίνων στη Γη, επηρεάζοντας δυνητικά το κλίμα και τη ζωή στον πλανήτη μας. Τα γεωλογικά στοιχεία δείχνουν ότι μια έκρηξη σουπερνόβα σε απόσταση 300 ετών φωτός από τη Γη εμφανίζεται περίπου μία φορά ανά εκατομμύριο χρόνια. Ένα τέτοιο κοντινό συμβάν μπορεί να προκαλέσει μια έντονη έκρηξη ακτίνων γάμα και μια 100πλάσια αύξηση των κοσμικών ακτίνων, που διαρκεί αρκετούς αιώνες!

Οι κοσμικές ακτίνες ιονίζουν την ατμόσφαιρα, οδηγώντας στο σχηματισμό οξειδίων του αζώτου που καταστρέφουν το όζον της στρατόσφαιρας και ως εκ τούτου αυξάνουν την έκθεση της ζωής στη Γη στο υπεριώδες φως (UV) από τον Ήλιο. Επιστήμονες έχουν υποθέσει ότι τέτοια γεγονότα θα μπορούσαν να έχουν προκαλέσει ακόμη και μαζικές αφανίσεις.

Η ροή της κοσμικής ακτίνας από μια κοντινή σουπερνόβα θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε αυξημένο σχηματισμό αερολυμάτων, με αποτέλεσμα περισσότερη νεφοκάλυψη και πιθανή ψύξη του κλίματος της Γης - ένας παρατεταμένος χειμώνας από κοσμικές ακτίνες. Ωστόσο, μέχρι σήμερα αυτή η επίδραση δεν είχε ποσοστικοποιηθεί, καθώς οι ακριβείς μετρήσεις των ιόντων και των σχετικών διαδικασιών σχηματισμού αερολύματος υπό ατμοσφαιρικές συνθήκες μόλις πρόσφατα έγιναν κατανοητές. Επιπλέον, απαιτούνται λεπτομερή υπολογιστικά μοντέλα του συστήματος της Γης για την καταγραφή της πολυπλοκότητας και των ανατροφοδοτήσεων των ατμοσφαιρικών διεργασιών.

Το πείραμα CLOUD παρέχει τις επακριβώς ελεγχόμενες, εξαιρετικά καθαρές συνθήκες για τη μέτρηση του σχηματισμού σωματιδίων, με την παρουσία δέσμης σωματιδίων από επιταχυντές του CERN που αναπαράγουν ιόντα σε όλη την ατμόσφαιρα. Το Ινστιτούτο Κύπρου (www.cyi.ac.cy) μέσω του Κέντρου Αριστείας για την Κλιματική και Ατμοσφαιρική ‘Έρευνα, εντάχθηκε στην ομάδα του CLOUD, σε συνεργασία με διεθνείς συνεργάτες, το Ινστιτούτο Χημείας Max Planck (MPIC) και το Πανεπιστήμιο του Ελσίνκι. Στο μοντέλο της Γης που αναπτύχθηκε από το MPIC και CyI και τρέχει σε υπερυπολογιστές, περιλαμβάνονται παραμετροποιήσεις για όλες τις σχετικές διαδικασίες σχηματισμού ατμοσφαιρικών ιόντων-αερολύματος που παράγουν πυρήνες συμπύκνωσης νέφους, με βάση τις μετρήσεις από το CLOUD, καθώς και τελευταίας τεχνογνωσίας χημεία στρατοσφαιρικού όζοντος.

Υποθέτοντας μια 100πλάσια αύξηση της ροής της κοσμικής ακτίνας που προσπίπτει στην ατμόσφαιρα της Γης, το μοντέλο καταδεικνύει ότι η εποχιακή τοπική μέγιστη εξάντληση του στρατοσφαιρικού όζοντος είναι περίπου 30%, πάνω από τις πολικές περιοχές — παρόμοιου μεγέθους με τη σημερινή απώλεια πολικού όζοντος που προκαλείται από ανθρωπογενείς εκπομπές.

Ο αντίκτυπος της ενισχυμένης κοσμικής ακτινοβολίας από μια κοντινή σουπερνόβα στη βιόσφαιρα της Γης θα περιοριστεί περαιτέρω από την προκύπτουσα αύξηση της αφθονίας των νεφών και των αερολυμάτων, σύμφωνα με τη μοντελοποίηση του συστήματος της Γης που αντιπροσωπεύει τις διαδικασίες σχηματισμού ατμοσφαιρικών αερολυμάτων. Αυτό ισχύει επίσης σε μια μελέτη ευαισθησίας με μόλις 2% οξυγόνο στην ατμόσφαιρα, παρόμοια με τις συνθήκες κατά την πρώιμη Κάμβρια, μια περίοδο γνωστή για την αύξηση της βιοποικιλότητας και τον ραγδαίο εξελικτικό ρυθμό της.

Παραδόξως, στο ένα δέκατο του οξυγόνου του περιβάλλοντος σε σύγκριση με σήμερα, το στρώμα του όζοντος είναι μόνο 3 φορές λεπτότερο, παρέχοντας μια ασπίδα προστασίας από την υπεριώδη ακτινοβολία για την εξέλιξη της ζωής στην ξηρά. Τέλος, εκτιμούμε ότι η αύξηση της αφθονίας των πυρήνων συμπύκνωσης του νέφους από πυρήνωση σωματιδίων που προκαλείται από ιόντα ασκεί μια παγκόσμια μέση ακτινοβολία -2,5 Watt/m2 (ψύξη), η οποία είναι συγκρίσιμη σε μέγεθος αλλά αντίθετου πρόσημου με την τρέχουσα ανθρωπογενή κλιματική επίδραση. Όλες αυτές οι αλλαγές είναι αξιοσημείωτα ήπιες για μια τόσο μεγάλη αύξηση της ροής των κοσμικών ακτίνων και δείχνουν πόσο προστατευτική ήταν - και θα συνεχίσει να είναι – η ατμόσφαιρα για την εξέλιξη της ζωής στη Γη σε ένα εχθρικό κοσμικό περιβάλλον.

Το πείραμα CLOUD στο CERN είναι κάτι περισσότερο από μια μελέτη της ατμοσφαιρικής επιστήμης. Είναι ένα παράθυρο στις κοσμικές δυνάμεις που διαμορφώνουν το κλίμα του πλανήτη μας και επηρεάζουν την ίδια τη ζωή. Εξερευνώντας τον ρόλο των κοσμικών ακτίνων τόσο στον σχηματισμό νεφών όσο και στα γεγονότα μαζικού αφανισμού, το CLOUD προσφέρει πολύτιμες πληροφορίες που ενισχύουν την κατανόησή μας για το περίπλοκο κλιματικό σύστημα της Γης και την ιστορία του. Καθώς συνεχίζουμε να διερευνούμε αυτά τα κοσμικά μυστήρια, η γνώση που αποκτήθηκε από το CLOUD στο CERN θα είναι καθοριστική για την προετοιμασία και τον μετριασμό των πιθανών επιπτώσεων της απότομης κλιματικής αλλαγής στον κόσμο μας.

Σχετική επιστημονική δημοσίευση:

Earth’s atmosphere protects the biosphere from nearby supernovae.
Christoudias, T., Kirkby, J., Stolzenburg, D. et al.
Communιcations Earth & Environment 5, 326 (2024).
https://doi.org/10.1038/s43247-024-01490-9