Studie legt nahe, dass die Erdatmosphäre unsere beste Verteidigung gegen nahegelegene Supernovas ist

Die schützende Atmosphäre der Erde hat Milliarden von Jahren Leben beschützt und einen Zufluchtsort geschaffen, in dem die Evolution komplexe Lebensformen wie uns hervorgebracht hat. Die Ozonschicht spielt eine entscheidende Rolle beim Schutz der Biosphäre vor tödlicher UV-Strahlung. Sie blockiert 99 % der starken UV-Strahlung der Sonne. Auch die Magnetosphäre der Erde bietet uns Schutz.

Aber die Sonne ist relativ harmlos. Wie wirksam schützen uns Ozon und Magnetosphäre vor gewaltigen Supernova-Explosionen?

Alle Millionen Jahre – ein kleiner Bruchteil der 4,5 Milliarden Jahre langen Lebensdauer der Erde – explodiert ein massereicher Stern innerhalb von 100 Parsec (326 Lichtjahren) der Erde. Wir wissen das, weil sich unser Sonnensystem in einer riesigen Blase im Weltraum befindet, die als Lokale Blase bezeichnet wird.

Es handelt sich um einen höhlenartigen Bereich des Weltraums, in dem die Wasserstoffdichte viel geringer ist als außerhalb der Blase. Eine Reihe von Supernova-Explosionen in den vorangegangenen 10 bis 20 Millionen Jahren hat die Blase geformt.

Supernovas sind gefährlich, und je näher ein Planet einer Supernova ist, desto tödlicher sind ihre Auswirkungen. Wissenschaftler haben über die Auswirkungen von Supernova-Explosionen auf die Erde spekuliert und sich gefragt, ob sie Massenaussterben oder zumindest Teilaussterben ausgelöst haben.

Gammastrahlenausbrüche und kosmische Strahlung einer Supernova können die Ozonschicht der Erde zerstören und ionisierende UV-Strahlung auf die Oberfläche des Planeten gelangen lassen. Die Auswirkungen können auch zu mehr Aerosolpartikeln in der Atmosphäre führen, die Wolkendecke verstärken und eine globale Abkühlung verursachen.

A neuer Forschungsartikel veröffentlicht in Kommunikation Erde & Umwelt untersucht Supernova-Explosionen und ihre Auswirkungen auf die Erde. Der Titel lautet „Die Erdatmosphäre schützt die Biosphäre vor Supernovas in der Nähe“. Der Hauptautor ist Theodoros Christoudias vom Climate and Atmosphere Research Center, Cyprus Institute, Nikosia, Zypern.

Die Lokale Blase ist nicht der einzige Beweis für nahegelegene Kernkollaps-Supernovas (SNe) in den letzten paar Millionen Jahren. Meeresablagerungen enthalten auch 60Fe, ein radioaktives Isotop von Eisen mit einer Halbwertszeit von 2,6 Millionen Jahren.

SNe stoßen bei ihrer Explosion 60Fe in den Weltraum aus, was darauf schließen lässt, dass vor etwa 2 Millionen Jahren eine Supernova in der Nähe explodierte. Es gibt auch 60Fe in Sedimenten, was auf eine weitere SN-Explosion vor etwa 8 Millionen Jahren hindeutet.

Forscher haben eine SN-Explosion mit dem oberdevonischen Massenaussterben vor etwa 370 Millionen Jahren in Verbindung gebracht. In einer Studie fanden Forscher durch UV-Licht verbrannte Pflanzensporen, ein Hinweis darauf, dass etwas Mächtiges die Ozonschicht der Erde zerstört hat. Tatsächlich ging die Artenvielfalt der Erde vor dem oberdevonischen Massenaussterben etwa 300.000 Jahre lang zurück, was darauf hindeutet, dass mehrere SNes eine Rolle gespielt haben könnten.

Die Ozonschicht der Erde ist in ständigem Wandel. Wenn UV-Energie auf sie trifft, spaltet sie Ozonmoleküle (O3). Dadurch wird die UV-Energie abgebaut und die Sauerstoffatome verbinden sich wieder zu O3. Der Zyklus wiederholt sich.

Dies ist eine vereinfachte Darstellung der atmosphärischen Chemie, aber sie dient der Veranschaulichung des Zyklus. Eine Supernova in der Nähe könnte den Zyklus durchkreuzen, die Dichte der Ozonsäule verringern und dafür sorgen, dass mehr tödliche UV-Strahlung die Erdoberfläche erreicht.

Doch in der neuen Studie legen Christoudias und seine Mitautoren nahe, dass die Ozonschicht der Erde viel widerstandsfähiger ist als gedacht und ausreichend Schutz vor SNe innerhalb von 100 Parsec bietet. Während frühere Forscher die Erdatmosphäre und ihre Reaktion auf eine nahe SN modelliert haben, sagen die Autoren, dass sie diese Arbeit verbessert haben.

Sie modellierten die Erdatmosphäre mit einem Erdsystemmodell mit Atmosphärenchemie (EMAC), um die Auswirkungen von SNe-Explosionen in der Nähe auf die Erdatmosphäre zu untersuchen. Mit EMAC, sagen die Autoren, haben sie „die komplexe Dynamik der atmosphärischen Zirkulation, Chemie und Prozessrückkopplungen“ der Erdatmosphäre modelliert.

Diese sind erforderlich, um „den stratosphärischen Ozonverlust als Reaktion auf erhöhte Ionisierung zu simulieren, der zu ioneninduzierter Nukleation und Partikelwachstum zu CCN (Wolkenkondensationskernen) führt“.

„Wir gehen von einer repräsentativen nahegelegenen SN mit GCR-Ionisationsraten (galaktische kosmische Strahlung) in der Atmosphäre aus, die 100-mal höher sind als die gegenwärtigen Werte“, schreiben sie. Das korreliert mit einer Supernova-Explosion in etwa 100 Parsec oder 326 Lichtjahren Entfernung.

„Der maximale Ozonabbau über den Polen ist geringer als das gegenwärtige menschengemachte Ozonloch über der Antarktis, das einem Ozonsäulenverlust von 60 bis 70 Prozent entspricht“, erklären die Autoren. „Andererseits gibt es einen Anstieg des Ozons in der Troposphäre, der jedoch deutlich innerhalb der Werte liegt, die durch die jüngste menschengemachte Verschmutzung verursacht wurden.“

Aber kommen wir gleich zur Sache: Wir möchten wissen, ob die Biosphäre der Erde sicher ist oder nicht.

Der maximale mittlere Ozonabbau in der Stratosphäre durch 100-mal mehr ionisierende Strahlung als normal, repräsentativ für eine nahe gelegene SN, beträgt weltweit etwa 10 %. Das entspricht etwa dem Rückgang, den unsere anthropogene Verschmutzung verursacht. Die Biosphäre würde davon nicht sehr stark betroffen sein.

„Obwohl diese Veränderungen der Ozonschicht erheblich sind, ist es unwahrscheinlich, dass sie größere Auswirkungen auf die Biosphäre hätten, insbesondere weil der größte Teil des Ozonverlusts in hohen Breitengraden auftritt“, erklären die Autoren.

Aber das gilt für die moderne Erde. Im Präkambrium, bevor das Leben explosionsartig in seiner Vielfalt explodierte, hatte die Atmosphäre nur etwa 2 % Sauerstoff. Wie würde sich eine SN darauf auswirken? „Wir haben eine Atmosphäre mit 2 % Sauerstoff simuliert, da dies wahrscheinlich Bedingungen darstellen würde, unter denen die entstehende Biosphäre an Land noch besonders empfindlich auf Ozonabbau reagieren würde“, schreiben die Autoren.

„Der Ozonverlust beträgt in mittleren Breiten etwa 10–25 % und in den Tropen noch eine Größenordnung weniger“, schreiben die Autoren. Bei minimalen Ozonwerten an den Polen könnte die ionisierende Strahlung einer SN tatsächlich zu einer Erhöhung der Ozonsäule führen. „Wir kommen zu dem Schluss, dass diese Veränderungen des atmosphärischen Ozons im Kambrium wahrscheinlich keine großen Auswirkungen auf die entstehende Biosphäre an Land hatten“, schlussfolgern sie.

Und was ist mit der globalen Abkühlung?

Die globale Abkühlung würde zunehmen, aber nicht in einem gefährlichen Ausmaß. Über dem Pazifik und den Südpolarmeeren könnte der CCN-Wert um bis zu 100 Prozent steigen, was nach viel klingt. „Diese Veränderungen sind zwar klimatisch relevant, aber vergleichbar mit dem Kontrast zwischen der unberührten Atmosphäre vor der Industrialisierung und der verschmutzten Atmosphäre von heute.“ Sie sagen, dass die Atmosphäre dadurch etwa um den gleichen Betrag abgekühlt würde, wie wir sie heute erwärmen.

Die Forscher weisen darauf hin, dass es in ihrer Studie nicht um einzelne Individuen, sondern um die gesamte Biosphäre gehe. „Unsere Studie berücksichtigt nicht die direkten gesundheitlichen Risiken für Mensch und Tier, die sich aus der Belastung mit erhöhter ionisierender Strahlung ergeben“, schreiben sie.

Je nach individuellen Umständen könnten einzelne Menschen im Laufe der Zeit gefährlichen Strahlungswerten ausgesetzt sein. Insgesamt würde die Biosphäre jedoch trotz einer 100-fachen Zunahme der UV-Strahlung weiter funktionieren. Unsere Atmosphäre und Magnetosphäre können damit umgehen.

„Insgesamt kommen wir zu dem Schluss, dass nahe gelegene Supernationen wahrscheinlich kein Massenaussterben auf der Erde verursacht haben“, schreiben die Autoren. „Wir schlussfolgern, dass die Atmosphäre und das Erdmagnetfeld unseres Planeten die Biosphäre wirksam vor den Auswirkungen nahe gelegener Supernationen abschirmen, wodurch sich in den letzten Hunderten von Millionen Jahren Leben auf dem Land entwickeln konnte.“

Diese Studie zeigt, dass die Biosphäre der Erde nicht wesentlich leiden wird, solange Supernova-Explosionen auf Distanz bleiben.