Недостающее звено между взрывами звёзд, облаками и климатом Земли

Прорывное исследование, объясняющее, как космические лучи от сверхновых звёзд могут влиять на облачный покров Земли и, следовательно, на её климат, опубликовано сегодня в журнале Nature Communications. Исследование показывает, что атмосферные ионы, образующиеся под действием энергичных космических лучей, способствуют росту и формированию ядер конденсации облаков — необходимых «семян» для образования облаков в атмосфере.

Изменение уровня ионизации в атмосфере влияет на количество ядер конденсации, что, в свою очередь, меняет свойства облаков. Больше ядер конденсации означает больше облаков и более холодный климат, и наоборот. Поскольку облака напрямую влияют на количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, это открытие имеет важное значение для понимания как прошлых климатических изменений, так и будущих.

Ядра конденсации могут формироваться из мелких молекулярных кластеров — аэрозолей. До сих пор считалось, что дополнительные мелкие аэрозоли не превращаются в ядра конденсации, поскольку не был известен механизм, способствующий этому. Новые результаты, полученные теоретически и экспериментально, показывают, как взаимодействия между ионами и аэрозолями могут ускорять рост последних, добавляя к ним материал и помогая им выжить, чтобы стать ядрами конденсации. Это даёт физическое обоснование большому массиву эмпирических данных, указывающих на роль солнечной активности в климатических вариациях на Земле. Например, тёплый Средневековый климатический оптимум около 1000 года н.э. и холодный период Малого ледникового периода с 1300 по 1900 год н.э. хорошо коррелируют с изменениями солнечной активности.

«Наконец-то у нас есть последний фрагмент головоломки, объясняющий, как частицы из космоса влияют на климат Земли. Это даёт понимание того, как изменения, вызванные активностью Солнца или сверхновых, могут менять климат», — говорит ведущий автор исследования Хенрик Свенсмарк из DTU Space при Техническом университете Дании.

Фунментально новая идея исследования заключается во включении вклада массы ионов в рост аэрозолей. Хотя ионы не являются самым многочисленным компонентом атмосферы, электромагнитные взаимодействия между ионами и аэрозолями компенсируют их малое количество и делают слияние ионов с аэрозолями гораздо более вероятным. Даже при низком уровне ионизации около 5% скорости роста аэрозолей обусловлено ионами. В случае близкой сверхновой этот эффект может составлять более 50% скорости роста, что окажет влияние на облака и температуру Земли.

Для достижения результатов было сформулировано теоретическое описание взаимодействий между ионами и аэрозолями вместе с выражением для скорости роста аэрозолей. Затем идеи были проверены экспериментально в большой облачной камере. Из-за экспериментальных ограничений, вызванных присутствием стенок камеры, измеряемое изменение скорости роста составляло порядка 1%, что предъявляло высокие требования к стабильности условий. Эксперименты повторялись до 100 раз, чтобы получить чёткий сигнал на фоне нежелательных флуктуаций. Данные собирались в течение двух лет, общее время выборки составило 3100 часов. Результаты экспериментов согласуются с теоретическими предсказаниями.

Исследование предполагает, что данный механизм мог влиять на:

• Климатические изменения, наблюдавшиеся в течение XX века.
• Похолодания и потепления примерно на 2°C, неоднократно происходившие за последние 10 000 лет по мере изменения активности Солнца и потока космических лучей.
• Гораздо более значительные колебания до 10°C, происходящие, когда Солнце и Земля движутся по Галактике через области с разным количеством взрывающихся звёзд.