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[转载]PNAS: 超级太阳风暴对地球的影响
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PNAS: 超级太阳风暴对地球的影响
地球磁场就像一把巨大的“保护伞”，保护地球免遭超级太阳风暴威胁。近日《美国国家科学院院刊》发表最新文章，模拟了太阳风暴对地球的影响，正常情况下，地球磁场能偏转大部分太阳高能粒子，但超级太阳风暴仍将影响人类健康和生态系统。而在地磁偏移期间，超级太阳风暴将导致全球臭氧层严重损耗，紫外线辐射激增，持续数年之久，引发一系列生态灾难。地球历史上曾多次经历地磁偏移，可能对生命演化产生深远影响，例如推动生物演化出视觉系统和坚硬外壳。
太阳活动，尤其是太阳粒子事件 (Solar particle events，SPE)，会释放出大量高能粒子，这些粒子能够到达地球，并对地球大气、气候和生物圈造成潜在影响。幸运的是，地球并非完全暴露在宇宙射线威胁之下。地球磁场就像一把巨大的“保护伞”，能够偏转大部分来自太阳和宇宙深处的高能粒子。但地球磁场强度并非一成不变，历史上曾多次出现减弱甚至反转的情况。在地球磁场较弱的时期，SPE对地球的影响将被放大，高能粒子将更容易穿透大气层到达地表，造成更严重的破坏。近年来，科学家通过树木年轮、冰芯等自然记录，发现了地球历史上曾多次发生超级SPE的证据，其强度远超现代仪器记录的任何一次。另外，地质记录显示，地球磁场强度经历过多次波动，并发生过多次地磁偏移和反转事件。在地磁偏移期间，地球磁场强度会显著降低，持续时间可达数百年甚至数千年，这会大大增加地球暴露于宇宙射线和SPE的风险。这些史前超级SPE事件和地磁偏移事件的发现，引发了科学界对极端太阳活动潜在影响的担忧。过去，针对SPE对地球影响的研究主要关注其对高层大气和近地空间的影响，而对其对气候系统、生态系统和人类健康的影响关注较少。此外，以往的研究大多没有考虑地球磁场变化的影响，导致对SPE潜在影响的评估可能存在偏差。图1 在当前条件下（A和C）和地磁偏移期间（B和D），全球月平均NOx（A和B）和O3（C和D）对SPE的响应。
为了更全面地评估超级SPE在不同地球磁场强度下对地球大气和地表的潜在影响，《美国国家科学院院刊》期刊上发表最新文章，利用耦合大气-海洋-化学-气候模型 (SOCOL3-MPIOM) 和辐射传输模型 (LibRadtran) 模拟了极端太阳粒子事件（SPE）在当前地球磁场环境和地磁偏移（地球磁场消失）两种情景下对地球的影响，旨在更全面、更准确地评估超级SPE对地球和人类文明的潜在威胁。主要结果如下：
图2 在当前条件下（A-D）和地磁偏移期间（E-H），SPE的年纬向平均氮氧化物响应。
一、在当前地球磁场环境下，超级SPE的影响主要集中在极地地区，对全球气候和生态系统的影响相对有限，但仍可能对人类健康构成一定威胁。大气化学变化: 极地地区平流层上层和平流层臭氧浓度将减少约30%，持续约一年时间，随后逐渐恢复。对流层臭氧总量在南北极地区分别减少约8%和12%，但热带地区变化不大。地表紫外线辐射: 各大陆地表紫外线辐射普遍增强，其中波长越短的紫外线辐射增加比例越高，部分波段增幅超过80%。北美、欧洲和亚洲的紫外线指数增加约5%，南美、非洲和澳洲增加2-3%，持续2-3年。生物影响: 北半球大陆维生素D合成速率增加5-7%，南半球增加幅度较小。全球DNA损伤率有所上升，其中北美、欧洲和亚洲地区增加约10%，持续数年。
图3 在当前条件下（A-D）和地磁偏移期间（E-H），对SPE的年纬向平均O3响应。
二、在地磁偏移期间，超级SPE将会对全球气候、生态系统和人类社会造成灾难性的后果。大气化学变化: 全球臭氧层遭受严重破坏，平流层臭氧浓度在南北极地区分别减少约50%和40%，即使在3年后仍未恢复到正常水平。对流层臭氧总量在全球范围内减少12-16%，其中极地地区最为严重，且持续时间超过3年。地表紫外线辐射:全球地表紫外线辐射急剧增强，部分波段增幅超过320%，并持续5-6年。全球紫外线指数显著上升，其中欧洲、北美和亚洲地区增幅高达25%，南美、非洲和澳洲也达到20%，且持续时间长达5-6年。生物影响:全球维生素D合成速率大幅提高，北半球大陆增加约30%，南半球增加约20%。全球DNA损伤率急剧上升，欧洲、北美和亚洲地区首年增幅高达50%，南半球也达到40%，且持续6年后才逐渐恢复正常。强烈的紫外线辐射可能导致人类和其他动物出现雪盲症等眼部疾病。
图4 当前地磁条件下（A-D）和偏移期间（E-H）对SPE的年平均总臭氧柱响应。
三、超级SPE与人类演化考虑到地质记录中地磁偏移事件发生的频率，超级SPE很可能在人类演化过程中扮演了重要角色。晚埃迪卡拉纪和早寒武世是地球磁场极不稳定的时期，磁场强度普遍较低，这与地球固态铁核的形成阶段相吻合，长时间的低磁场强度、大气氧含量上升以及由此产生的高紫外线辐射，可能是推动寒武纪生命大爆发的关键因素之一。许多动物门类在寒武纪早期独立演化出视觉系统和坚硬的外壳，这可能是为了应对强烈的紫外线辐射而产生的适应性演化。超级SPE是地球生命演化过程中不可忽视的重要环境因素，了解超级SPE的影响，对于我们理解地球历史、预测未来气候变化以及应对潜在的太空天气灾害，都具有重要意义。图5 在当前条件下（左）和地磁偏移期间（右），SPE后前6年大陆上空地球表面的太阳光谱辐照度响应，显示为波长的函数。
结语: 本研究通过模拟两种不同情景下超级SPE对地球的影响，揭示了地球磁场对地球生命的保护作用，以及超级SPE在极端情况下可能带来的灾难性后果。研究结果强调了加强太空天气监测和预警，以及制定应对超级SPE等极端事件的应急预案的重要性。
图6 在当前条件下（虚线）和地磁偏移期间（实线），SPE后前6年（y=0）不同大陆的UVI、维生素D产生和DNA损伤反应。
论文信息：Pavle Arsenović et al. Global impacts of an extreme solar particle event under different geomagnetic field strengths. July 1, PNAS, 2024, 121(28), e2321770121
https://doi.org/10.1073/pnas.2321770121
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