Klimatiske og biologiske effekter af en nærliggende supernova eller et gammaglimt

1. Klimatiske og biologiske effekter af en nærliggende supernova eller et gammaglimt Af Jonas B. Nielsen

2. Hvad sker der hvis Jorden bliver ramt af et gammaglimt? • Har Jorden tidligere i dens historie været ramt af et gammaglimt?

3. Hvad sker der hvis Jorden bliver ramt af et gammaglimt?

4. 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

5. Strålingen fra gammaglimtet fotodissocierer ozon i stratosfæren • Danner en stor mængde ozon nedbrydende molekyler: NOy

6. 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

7. 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

8. ”Standert” gammaglimt • Effekt: 5 × 10^44 W • Varighed: 10 s • Afstand: ~2 kpc (Melott et al. (2004) ) • Strålings eksponering: 100 kJ m^-2

9. 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

10. 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

11. 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

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

13. Variation af årstid og breddegrad • Gammaglimt introduceres i modellen: • Marts, juni, september og december • Breddegrader: +90º, +45º, 0º, -45º og -90º

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

15. O3 Thomas, B. C. et al., 2005. [Gamma-ray and the Earth: Exploration of Atmospheric, Biological, Climatic, and Biogeochemical Effects]. Astrophys. J., 634, 514

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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

20. 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

21. 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

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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)

26. 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

27. 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

28. 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

29. 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

30. Er Jorden tidligere i dens historie ramt af et gammaglimt?

31. Den sene Ordoviciske periode

32. Den sene Ordoviciske masseudryddelse http://en.wikipedia.org/wiki/File:Extinction_intensity.svg

33. 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

34. Kunne gammaglimt have forårsaget et evolutionært boost?