klimatiske og biologiske effekter af en nærliggende supernova eller et gammaglimt

Klimatiske og biologiske

effekter af en nærliggende supernova

eller et gammaglimt

Af Jonas B. Nielsen

• Hvad sker der hvis Jorden bliver ramt af et gammaglimt?

• Har Jorden tidligere i dens historie været ramt af et gammaglimt?

Hvad sker der hvis Jorden bliver ramt af et gammaglimt?

• Gammaglimt: 2 kpc, 5 × 10^44 W, 10 s

• Den øvre del af Jordens atmosfære bestråles med 10 kW m^-2

(~ 7 gange intensiteten af sollys)

• X-ray og γ-ray: energier over 100 keV

(synligt lys: eV)

• Det meste energi afsættes i stratosfæren

• Kun 0.002 af energien når overfladen Primært som UVB

• ~ 5 gange den normale UVB flux på en solrig dag

• Strålingen fra gammaglimtet fotodissocierer ozon i stratosfæren

• Danner en stor mængde ozon nedbrydende molekyler: NOy

Atmosfærisk model(Thomas et al. (2005b))

• To rumlige dimensioner:

• Breddegrader: 18 lige bånd fra pol til pol

• Højde: 58 logaritmiske tryk niveauer, der hver spænder over ca. 2 km (116 km)

• Inkluderer transportmekanismer så som vinde og ”mixing” på mindre skala

Langsigtet model

• Ser på effekter over flere år

• Tids skridt af 1 dag

• Indeholder alle transportmekanismer

Kortsigtet model

• Ser på effekter over få dage

• Tids skridt af 1 s

• Begrænset transportmekanismer

”Standert” gammaglimt

• Effekt: 5 × 10^44 W

• Varighed: 10 s

• Afstand: ~2 kpc (Melott et al. (2004) )

• Strålings eksponering: 100 kJ m^-2

Ozon, O3

• Dannes ved dissociation af O2 grundet UV stråler fra solen ved bølgelængder under 242 nm

• Højere bølgelængder dissocierer O3

• Primær produktion omkring ækvator, hvor sollyset er mest konstant og intenst.

• Transporteres til polerne

• Longitudinal transport er meget effektiv, kun få uger rundt om Jorden

Ozon (uden gammaglimt)

Thomas, B. C. et al., 2005. [Gamma-ray and the Earth: Exploration of Atmospheric, Biological, Climatic, and Biogeochemical Effects]. Astrophys. J., 634, 511

Nitrogen oxider, NOy

• NO og NO2 er de primære ozon-nedbrydende elementer

• NO dissocieres af sollys under 191 nm

N + NO → N2 + O

• NO2 dissocieres af sollys under 400 nm

NO2 → NO + O

• NO og NO2 har en indbyrdes daglig cyklus

Thomas, B. C. et al., 2005. [Gamma-ray and the Earth: Exploration of Atmospheric, Biological, Climatic, and Biogeochemical Effects]. Astrophys. J., 634, 512

Variation af årstid og breddegrad

• Gammaglimt introduceres i modellen:

• Marts, juni, september og december

• Breddegrader: +90º, +45º, 0º, -45º og -90º

NOy

Thomas, B. C. et al., 2005. [Gamma-ray and the Earth: Exploration of Atmospheric, Biological, Climatic, and Biogeochemical Effects]. Astrophys. J., 634, 513

O3

Thomas, B. C. et al., 2005. [Gamma-ray and the Earth: Exploration of Atmospheric, Biological, Climatic, and Biogeochemical Effects]. Astrophys. J., 634, 514

Ændring af O3 i forhold til normalt

Thomas, B. C. et al., 2005. [Gamma-ray and the Earth: Exploration of Atmospheric, Biological, Climatic, and Biogeochemical Effects]. Astrophys. J., 634, 515

Globale gennemsnits ændring i procent af O3

Thomas, B. C. et al., 2005. [Gamma-ray and the Earth: Exploration of Atmospheric, Biological, Climatic, and Biogeochemical Effects]. Astrophys. J., 634, 515

Punktvise forskel i procent af NOy mellem simuleringer med et gammaglimt og simuleringer uden, et år efter gammaglimtet er

introduceret til modellen

Thomas, B. C. et al., 2005. [Gamma-ray and the Earth: Exploration of Atmospheric, Biological, Climatic, and Biogeochemical Effects]. Astrophys. J., 634, 516

Punktvise forskel i procent af O3 mellem simuleringer med et gammaglimt og simuleringer uden, et år efter gammaglimtet er

introduceret til modellen

Thomas, B. C. et al., 2005. [Gamma-ray and the Earth: Exploration of Atmospheric, Biological, Climatic, and Biogeochemical Effects]. Astrophys. J., 634, 516

Den maksimale ozon nedbrydning i procent for gammaglimt over ækvator på forskellige tidspunkter af døgnet

Thomas, B. C. et al., 2005. [Gamma-ray and the Earth: Exploration of Atmospheric, Biological, Climatic, and Biogeochemical Effects]. Astrophys. J., 634, 517

Relativ DNA skade, normeret i forhold til den gennemsnitlige globale skade.(Eksperimenter tyder på at en signifikant dødelighed blandt marine

mikroorganismer vil finde sted hvor værdien overskrider 2)

Thomas, B. C. et al., 2005. [Gamma-ray and the Earth: Exploration of Atmospheric, Biological, Climatic, and Biogeochemical Effects]. Astrophys. J., 634, 520

Andre effekter

• NO2 absorberer kraftigt i synligt lys gassen har et brunlugt skær

• Skærmer for sollyset og sænker temperaturen

• Kan starte en lille istid

• NO2 regnes ud af atmosfæren som HNO3

• Afgiver store mængder nitrat til jorden

• Kan gøde jorden

Relativ strålings eksponeringen fra solen ved Jordens overflade i

forhold til normalt

Thomas, B. C. et al., 2005. [Gamma-ray and the Earth: Exploration of Atmospheric, Biological, Climatic, and Biogeochemical Effects]. Astrophys. J., 634, 522

Udvaskning af N fra atmosfæren som nitrat (enhed 10^-10 g m^-2 s^-1)

Større mængder på den nordlige halvkugle grundet mere landmasse

Thomas, B. C. et al., 2005. [Gamma-ray and the Earth: Exploration of Atmospheric, Biological, Climatic, and Biogeochemical Effects]. Astrophys. J., 634, 523

Maksimal afstand for biologiske effekter

(Douglas et al. (2007))Test baseret på to encellede organismer

• Escherichia coli (E. coli)

Meget overfølsom overfor stråling

• Deinococcus radioduras (D. radiudurans)

Polyextremophyle – blandt andet høj modstandsdygtighed over for UV stråling

• En tyk atmosfære (nutid)

• En tynd atmosfære (fortid)

Dosis og flux for 10% overlevelse af bakterierne E. coli og D. radiodurans for ion og UV stråling

Galante, D & Horvath, J. E., 2007. [Biological Effects of Gamma-ray Bursts: Distances for Sever Damage on the Biota]. International Journal of Astrobiology, 6(1), 20

Fluxen af UV stråling fra Solen som når havoverfladen grundet nedbrydning af ozonlaget som funktion af strålings eksponeringen og

afstanden til et gammaglimt

Galante, D & Horvath, J. E., 2007. [Biological Effects of Gamma-ray Bursts: Distances for Sever Damage on the Biota]. International Journal of Astrobiology, 6(1), 22

D10 afstanden for forskellige effekter som følge af et gammaglimt

Galante, D & Horvath, J. E., 2007. [Biological Effects of Gamma-ray Bursts: Distances for Sever Damage on the Biota]. International Journal of Astrobiology, 6(1), 23

• Den mest direkte skadelige effekt af et gammaglimt er UV strålingen

• Dog begrænset til en side af Jorden, og kun over udækket land og i lav vanddybde

• Nedbrydning af ozonlaget har den største globale og mest langvarige effekt

• Er effektiv på D. radiodurans inden for 12 kpc hvilket betyder stortset alle steder i galaksen

Er Jorden tidligere i dens historie ramt af et gammaglimt?

Den sene Ordoviciske periode

Den sene Ordoviciske masseudryddelse

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Extinction_intensity.svg

• Omkring 440 millioner år siden

• Den næststørste masseudryddelse

• Den overlevne fauna der repopulerede verden tyder på at være kommet fra dybt vand og høje breddegrader

• Er knyttet til en mindre istid mellem to perioder af varmt stabilt klima

• Planter var så småt ved at indtage jordoverfladen

Kunne gammaglimt have forårsaget et evolutionært boost?