地球过去和未来的宜居性取决于我们对太空天气的保护

众多令人眼花缭乱的因素和变数造就了我们今天所居住的星球，生命在最边缘的条件下找到了生存甚至繁衍生息的方法。太阳是这一切的催化剂，通过稳定的融合推动生命走向更加复杂的旅程。

但太阳之所以是良性的，只是因为地球有内置的保护——磁层。太阳和磁层都随着时间的推移而发生变化，各自的强度都有消退和流动。太阳驱动着强大的太空天气，而磁层则保护着地球。

这两种现象如何影响地球的宜居性?

一项新的研究着眼于太阳和地球的磁屏蔽如何随着时间的推移而变化，以及这些变化如何影响我们星球的宜居性。其标题是“太阳主序历史上地球的可居住性：太空天气和地球磁场演化的共同影响”。主要作者是马德里卡洛斯三世大学的研究员雅各布·巴雷拉(JacoboVarela)。该论文将发表在《皇家天文学会月刊》上，目前可在arXiv预印本服务器上获取。

我们对太阳的了解甚至比几十年前还要多。帕克太阳探测器、太阳和日光层观测站(SOHO)、太阳动力学观测站(SDO)和其他航天器目前都在紧锣密鼓地研究它。我们知道太阳有11年的周期，有时会发出强大的太阳风暴，可以摧毁地球上的电气设备。

我们对地球磁层也了解很多。我们知道地球的旋转铁芯及其对流形成了一个保护性磁屏蔽，可以阻挡大部分太阳的危险辐射，同时允许热量进入。我们知道地球的两极可以翻转位置，磁层的强度会随着时间的推移而变化。

所有这些因素如何影响地球的宜居性?

太阳的太阳风(SW)和行星际磁场(IMF)结合起来创造了太空天气，而宜居性取决于太空天气如何与我们的磁层相互作用。没有强磁层，地球就不受保护。

作者解释说：“这意味着太空天气条件可能会对地球和系外行星的宜居性造成限制，因为行星磁层提供的屏蔽可以避免恒星风对地表的消毒作用。”

日冕物质抛射(CME)对地球磁层的破坏性影响最大。当太阳发出强大的日冕物质抛射撞击地球时，它会暂时使地球磁层变形。白天的一面被压缩，夜晚的一面被延长。大多数时候，它只会产生更强大的极光，这是一种到达比平时更低纬度的自然光表演。

但这是一种平衡行为，并不总是平衡的。在太阳历史的早期，它的旋转速度更快，磁活动也更强大。由于日冕物质抛射是由太阳的行为(包括自转和磁力)驱动的，因此太阳在过去发射了更强大的日冕物质抛射。作者写道：“与现在相比，太阳主序带早期阶段的西南动态压力和国际货币基金组织强度要高得多，因此，年轻太阳对地球磁层引起的扰动更强。”

问题是，这一切究竟是如何随着时间的推移而发生变化的，以及它是如何影响宜居性的?它将如何影响它的未来?

“本研究的目的是分析地球在太阳主序演化过程中的宜居性，”作者解释道。该团队进行了一系列详细的模拟，以探索数十亿年历史中太阳与地球之间的相互作用。这些模拟基于已建立的科学模型，其中包括随时间变化的SW强度等因素。

随着时间的推移而变化的因素之一是地球磁场强度(以微特斯拉为单位)。最近的证据表明它按照2亿年的周期发生变化。这些变化是由产生磁场的地球内部变化驱动的。

作者研究了地球的宜居性在弱、正常和高偶极磁场强度期间如何变化。

地球也有过磁场性质发生变化的时期，而不仅仅是其强度发生变化。有时，地球会经历一段时期，其磁场是多极而不是偶极。磁场的强度在这些时候也会发生变化，当磁场很弱时，磁场就会反转。

下图显示了模拟中使用的一些数据。该团队使用了地球磁场四种不同强度范围的模型。它们显示在古地磁数据列和地球B场模型列下标记为偶极子的两列中。

地球在整个元古代以及古生代的寒武纪、天冬纪和石炭纪期间经历了低场强。中生代三叠纪也存在低场强。这些时间对应于只有5微特斯拉的模型，以红色显示。

稍强的15微特斯拉期出现在古太古代、中太古代、元古代、中生代侏罗纪和新生代古近纪。这些在偶极子列下以橙色显示。

研究中的这张表格显示了地球磁场强度在其历史上如何波动。图片来源：Varela等人，2023

“30µT的偶极子模型说明了中元古代和新太古代，以及白垩纪的新近纪和第四纪，”作者解释道。这些时间以粉红色显示。

地球的磁场强度在早期最强。作者写道：“45µT的偶极子模型代表了冥古宙和始太古代时期的高场时期。”这些以紫色显示。

那么这一切意味着什么呢?

这项工作的一个关键部分是磁层顶间隔距离。这个距离会被能量更高的太阳风压缩，而当地球磁场强度更高时，这个距离就会扩大。在上图中，当磁场强度较高时，(a)的磁层顶间隔距离比(d)大大减小。

在太阳风强大、磁力较弱的时期，磁层顶的间隔距离更接近地球表面，这意味着太阳对生命构成威胁。如果这个距离减少到零，意味着太阳辐射可以直接到达地表，那么地球的宜居性就会严重降低。

作者写道：“我们的结论是，太空天气对地球宜居性的阻碍必须被视为大气层和生命进化的重要驱动力。”(请注意，英语不是作者的母语，他们的语法反映了这一点。尽管如此，含义还是很清楚的。)

这项研究表明，太空天气和地球磁场强度如何随着时间的推移而发生变化，从而促进宜居性或使宜居性变得更加困难。它特别表明，当地球处于多极配置时，在极反转之前，我们更容易受到太空天气的影响。最后一次磁极反转发生在大约78万年前，磁屏蔽被削弱。逆转可能需要数百年甚至数千年。在逆转期间我们仍然受到保护，但不是那么好。如果强大的日冕物质抛射在此期间发生，可能会引发大规模的地磁风暴。

在遥远的未来，地球的偶极子将会减弱。它的地球发电机将会消失，就像火星一样。地球抵抗太阳辐射的能力将减弱，宜居性将不复存在。最终，连续的ICME将袭击地表，对地球生物圈造成严重破坏。随着时间的推移，即使相对较弱的太阳风也会到达表面，地球将持续沐浴在辐射中。

但现在，我们还好。我们可以在没有任何帮助的情况下继续我们的事业，慢慢降低地球的宜居性。

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