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?