Атмосферные потери N+ и O+ в экстремальных солнечных условиях во время геомагнитных инверсий

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Согласно распространенным представлениям, магнитосфера защищает атмосферу планеты от эрозии, вызванной солнечным ветром. Ранее нами было показано, что во время геомагнитных инверсий, когда магнитное поле ослабевает примерно до 10 % от нынешнего, его защитная функция остается эффективной. Этот вывод был получен для спокойных периодов солнечной активности. Однако геомагнитная инверсия может длиться тысячи лет, в течение которых может произойти множество экстремальных событий, в частности, изменения солнечных параметров, таких как давление солнечного ветра, экстремальное ультрафиолетовое излучение (EUV). При высоком EUV-потоке в верхних слоях атмосферы Земли увеличиваются концентрации азота и кислорода, а также их потери. В настоящей работе рассмотрены наиболее значимые механизмы диссипации тяжелых ионов из атмосферы Земли и оценены их потери в рамках полуэмпирической модели. Показано, что слабое геомагнитное поле и сильная солнечная активность приводят к смене доминирующего механизма диссипации и к значительным атмосферным потерям сравнительно легких изотопов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

О. О. Царева

Институт космических исследований РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: olga8.92@mail.ru
Россия, Москва

А. Каннелл

Университет Сан-Паулу

Email: olga8.92@mail.ru

Институт перспективных исследований

Бразилия, Сан-Паулу

Н. Н. Левашов

Институт космических исследований РАН; МГУ имени М.В. Ломоносова

Email: olga8.92@mail.ru

Физический факультет

Россия, Москва; Москва

Х. В. Малова

Институт космических исследований РАН; МГУ имени М.В. Ломоносова

Email: olga8.92@mail.ru

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына

Россия, Москва; Москва

В. Ю. Попов

Институт космических исследований РАН; МГУ имени М.В. Ломоносова; Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

Email: olga8.92@mail.ru

Физический факультет

Россия, Москва; Москва; Москва

Л. М. Зеленый

Институт космических исследований РАН; МГУ имени М.В. Ломоносова

Email: olga8.92@mail.ru

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына

Россия, Москва; Москва

Список литературы

  1. Sepkoski J.J. Phanerozoic Overview of Mass Extinction // Patterns and Processes in the History of Life. 1986. P. 277–295. https://doi.org/ 10.1007/978-3-642-70831-2_15
  2. Keller G. Impacts, volcanism and mass extinction: random coincidence or cause and effect? // Australian J. Earth Sciences. 2005. V. 52 Iss. 4–5. P. 725–757. https://doi.org/10.1080/08120090500170393
  3. Raup D.M., Sepkoski J.J. Mass Extinctions in the Marine Fossil Record // Science. 1982. V. 215. Iss. 4539. P. 1501–1503. https://doi.org/10.1126/science.215.4539.1501
  4. Valet J.-P., Fournier A. Deciphering records of geomagnetic reversals // Reviews of Geophysics. 2016. V. 54. Iss. 2. P. 410–446. doi: 10.1002/2015RG000506
  5. Hounslow M.W., Domeier M., Biggin A.J. Subduction flux modulates the geomagnetic polarity reversal rate // Tectonophysics. 2018. Iss. 742. P. 34–49. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2018.05.018
  6. Wei Y., Pu Z., Zong Q. et al. Oxygen escape from the Earth during geomagnetic reversals: Implications to mass extinction // Earth and Planetary Science Letters. 2014. Iss. 394. P. 94–98. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2014.03.018
  7. Berner R.A. Phanerozoic atmospheric oxygen: New results using the GEOCARBSULF model // American J. Science. 2009. V. 309. Iss. 7. P. 603–606. https://doi.org/10.2475/07.2009.03
  8. Algeo T.J., Meyers P.A., Robinson R.S. et al. Icehouse-greenhouse variations in marine denitrification // Biogeosciences. 2014. V. 11. Iss. 4. P. 1273–1295. https://doi.org/10.5194/bg-11-1273-2014
  9. Johnson B.W., Goldblatt C. EarthN: A New Earth System Nitrogen Model // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2018. V. 19. Iss. 8. P. 2516–2542. https://doi.org/10.1029/2017GC007392
  10. Cannell A.E.R. The engineering of the giant dragonflies of the Permian: revised body mass, power, air supply, thermoregulation and the role of air density // J. Exp. Biol. 2019. Iss. 221. Art.ID. jeb185405. https://doi.org/10.1242/jeb.185405
  11. Cannell A., Nel A. Paleo-air pressures and respiration of giant Odonatoptera from the Late Carboniferous to the Early Cretaceous // Palaeoentomology. 2023. V. 6. Iss. 4. https://doi.org/10.11646/palaeoentomology.6.4.6
  12. Cannell A.E.R. Too big to fly? An engineering evaluation of the fossil biology of the giant birds of the Miocene in relation to their flight limitations, constraining the minimum air pressure at about 1.3 bar // Animal Biology. 2020. V. 70. Iss. 3. P. 1–20. https://doi.org/10.1163/15707563-bja10001
  13. Cannell A., Blamey N., Brand U. et al. A revised sedimentary pyrite proxy for atmospheric oxygen in the paleozoic: Evaluation for the silurian-devonian-carboniferous period and the relationship of the results to the observed biosphere record // Earth-Science Reviews. 2022. Art. ID104062. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2022.104062
  14. Hoffman J.H., Dodson W.H., Lippincott C.R. et al. Initial ion composition results from the ISIS2 satellite // J. Geophysical Research (1896–1977). 1974. V. 79. Iss. 28. P. 4246–4251. https://doi.org/10.1029/JA079i028p04246
  15. Chappell C.R., Olsen R.C., Green J.L. et al. The discovery of nitrogen ions in the Earth’s magnetosphere // Geophysical Research Letters. 1982. V. 9. Iss. 9. P. 937–940. https://doi.org/10.1029/GL009i009p00937
  16. Cully C.M., Donovan E.F., Yau A.W. et al. Akebono / Suprathermal Mass Spectrometer observations of low-energy ion outflow: Dependence on magnetic activity and solar wind conditions // J. Geophysical Research (Space Physics). 2003. V. 108. Iss. A2. Art.ID. 1093. https://doi.org/10.1029/2001JA009200
  17. Tian F., Kasting J.F., Liu H.-L. et al. Hydrodynamic planetary thermosphere model: 1. Response of the Earth’s thermosphere to extreme solar EUV conditions and the significance of adiabatic cooling // J. Geophysical Research (Planets). 2008. V. 113. Iss. E5. Art.ID. E05008. https://doi.org/10.1029/2007JE002946.
  18. Chapman S. The absorption and dissociative or ionizing effect of monochromatic radiation in an atmosphere on a rotating Earth part II. grazing incidence // Proc. the Physical Society. 1931. V. 43. Iss. 5. P. 483–501. https://doi.org/10.1088/0959–5309/43/5/302
  19. Olivares-Pulido G., Hernández-Pajares M., Aragón- Angel A. et al. A linear scale height Chapman model supported by GNSS occultation measurements // J. Geophysical Research (Space Physics). 2016. V. 121. Iss. 8. P. 7932–7940. https://doi.org/10.1002/2016JA022337
  20. Tian F., Solomon S.C., Qian L. et al. Hydrodynamic planetary thermosphere model: 2. coupling of an electron transport/energy deposition model // J. Geophysical Research: Planets. 2008. V. 113. Iss. E7. https://doi.org/10.1029/2007JE003043
  21. Smithtro C.G., Sojka J.J. Behavior of the ionosphere and thermosphere subject to extreme solar cycle conditions // J. Geophysical Research (Space Physics). 2005. V. 110. Iss. A8. Art.ID. A08306. https://doi.org/10.1029/2004JA010782
  22. Lundin R., Dubinin E.M. Phobos-2 results on the ionospheric plasma escape from Mars // Advances in Space Research. 1992. Iss. 12. P. 255–263. https://doi.org/10.1016/0273-1177(92)90338-X
  23. Tsareva O.O., Dubinin E.M., Malova H.V. et al. Atmospheric escape from the earth during geomagnetic reversal // Ann. Geophys. 2019. V. 63. Iss. 2. Art.ID PA223. https://doi.org/10.4401/ag-8354
  24. Merrill R.T., McFadden P.L. Paleomagnetism and the nature of the geodynamo // Science. 1990. V. 248. Iss. 4953. P. 345–350. https://doi.org/10.1126/science.248.4953.345
  25. Leonhardt R., Fabian K. Paleomagnetic reconstruction of the global geomagnetic field evolution during the matuyama/brunhes transition // Earth and Planetary Science Letters. 2007. Iss. 253. P. 172–195. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2006.10.025
  26. Valet J.-P., Thevarasan A., Bassinot F. et al. Two records of relative paleointensity for the past 4 Myr. // Frontiers in Earth Science. 2020. V. 8. Art.ID148. https://doi.org/10.3389/feart.2020.00148
  27. Herrero-Bervera E., Valet J.-P. Absolute paleointensity and reversal records from the Waianae sequence (Oahu, Hawaii, USA) // Earth and Planetary Science Letters. 2005. V. 234. Iss. 1–2. P. 279–296. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2005.02.032
  28. Jacobs J.A. Reversals of the Earth’s magnetic field. 2nd edition. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1994.
  29. Glatzmaier G.A., Roberts P.H. A three-dimensional self-consistent computer simulation of a geomagnetic field reversal // Nature. 1995. V. 377. Iss. 6546. P. 203–209. https://doi.org/10.1038/377203a0
  30. Wood B.E., Muller H.-R., Zank G.P. et al. Measured mass-loss rates of solar-like stars as a function of age and activity // The Astrophysical J. 2002. V. 574. Iss. 1. P. 412–425. https://doi.org/10.1086/340797
  31. Güdel M., Kasting J. Origins and evolution of life: The young sun and its influence on planetary atmospheres. Cambridge: Cambridge University Press, 2011.
  32. Mansoori A., Khan P., Ahmad R. et al. Evaluation of long term solar activity effects on GPS derived tec. // J. Physics: Conference Series. 2016. V. 759. Art.ID012069. https://doi.org/10.1088/1742-6596/759/1/012069
  33. Krauss S., Pfleger M., Lammer H. Satellite-based analysis of thermosphere response to extreme solar flares // Annales Geophysicae. 2014. V. 32. Iss. 10. P. 1305–1309. https://doi.org/10.5194/angeo-32-1305-2014
  34. Yamauchi M., Wahlund J.-E. Role of the Ionosphere for the Atmospheric Evolution of Planets // Astrobiology. 2007. V. 7. Iss. 5. P. 783–800. https://doi.org/10.1089/ast.2007.0140
  35. Lundin R., Dubinin E.M., Koskinen H. et al. On the momentum transfer of the solar wind to the Martian topside ionosphere // Geophysical Research Letters. 1991. V. 18. Iss. 6. P. 1059–1062. https://doi.org/10.1029/90GL02604
  36. Lundin R., Lammer H., Ribas I. Planetary magnetic fields and solar forcing: Implications for atmospheric evolution // Space Science Reviews. 2007. V. 129. Iss. 1–3. P. 245–278. https://doi.org/10.1007/s11214-007-9176-4
  37. Brain D.A., Bagenal F., Ma Y.-J., et al. Atmospheric escape from unmagnetized bodies // J. Geophys. Res. Planets. 2016. V. 121. https://doi.org/10.1002/2016JE005162
  38. Gronoff G., Arras P., Baraka S. et al. Atmospheric escape processes and planetary atmospheric evolution: from misconceptions to challenges // Proc. European planetary science congress. 2020. EPSC2020–32. https://doi.org/10.5194/epsc2020-32
  39. Gunell H., Maggiolo R., Nilsson H. et al. Why an intrinsic magnetic field does not protect a planet against atmospheric escape // Astronomy and Astrophysics. 2018. V. 614. Iss. L3. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201832934
  40. Seki K., Elphic R.C., Hirahara M. et al. On atmospheric loss of oxygen ions from Earth through magnetospheric processes // Science. 2001. V. 291. Iss. 5510. P. 1939–1941. https://doi.org/10.1126/science.1058913
  41. Slapak R., Hamrin M., Pitkänen T. et al. Quantification of the total ion transport in the near-Earth plasma sheet // Annales Geophysicae. 2017. V. 35. Iss. 4. P. 869–877. https://doi.org/10.5194/angeo-35-869-2017
  42. Slapak R., Schillings A., Nilsson H. et al. Atmospheric loss from the dayside open polar region and its dependence on geomagnetic activity: implications for atmospheric escape on evolutionary timescales // Annales Geophysicae. 2017. V. 35. Iss. 3. P. 721–731. https://doi.org/10.5194/angeo-35-721-2017
  43. Banks P.M., Holzer T.E. The polar wind // J. Geophysical Research. 1968. V. 73. Iss. 21. P. 6846–6854. https://doi.org/10.1029/JA073i021p06846
  44. Yau A.W., Abe T., Peterson W.K. The polar wind: Recent observations // J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2007. V. 69. Iss. 16. P. 1936–1983. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2007.08.010
  45. Pierrard V., Lemaire J. Lorentzian ion exosphere model // J. Geophysical Research. 1996. V. 101. Iss. A4. P. 7923–7934. https://doi.org/10.1029/95JA03802
  46. Strangeway R.J., Ergun R.E., Su Y.-J. et al. Factors controlling ionospheric outflows as observed at intermediate altitudes // J. Geophysical Research (Space Physics). 2005. Iss. 110. Art.ID A03221. https://doi.org/10.1029/2004ja010829
  47. Fok M.-C., Ebihara Y., Moore T.E. Inner magnetospheric plasma interaction and coupling with the ionosphere // Adv. Polar Upper Atmos. Res. 2005. V. 19. P. 106–134.
  48. Pollock C.J., Chandler M.O., Moore T.E. et al. A survey of upwelling ion event characteristics // J. Geophys. Res. 1990. V. 95. Iss. A11. P. 18969–18980. https://doi.org/10.1029/JA095iA11p18969
  49. Perez-de-Tejada H. Momentum transport in the solar wind erosion of the Mars ionosphere // J. Geophysical Research: Planets. 1998. Iss. 103. P. 31499–31508. https://doi.org/10.1029/1998JE900001
  50. Perez-de-Tejada H. Solar wind-driven plasma flows in the Venus and Mars ionospheres // Advances in Space Research. 1992. V. 12. Iss. 9. P. 265–274. https://doi.org/10.1016/0273-1177(92)90339-Y
  51. Lammer H., Scherf M., Kurokawa H. et al. Loss and fractionation of noble gas isotopes and moderately volatile elements from planetary embryos and early Venus, Earth and Mars // Space Science Reviews. 2020. V. 216. Iss. 4. Art.ID. 74. https://doi.org/10.1007/s11214-020-00701-x

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. (а) – частота геомагнитных инверсий в фанерозойскую эру и их смоделированные значения (пунктирные), для которых данные отсутствуют [5]. (б) – процентное соотношение и масса атмосферного кислорода O2 [7]; (в) – вековые изменения изотопных соотношений азота δ15N со средним значением +2.0±0.3‰ (пунктирная линия) [8]. Средний долгосрочный тренд представлен черной кривой и областью неопределенности вокруг него. Символ δ выражает изменение изотопных соотношений между образцом и стандартом: δX = (Rsample/ Rstandart – 1) . 1000 ‰, где R – отношение тяжелого / легкого изотопа элемента X

Скачать (325KB)
Метаданные
3. Рис. 2. (а) – профили плотности ионов кислорода O+ (сплошные) и азота N+ (пунктирные), (б) – температура и (в) – высота экзобазы, полученные из теоретической модели [14] аналогичной модели GAIT [21], при различных условиях солнечного EUV-потока (нормализованного к современному среднему потоку солнечной энергии ~1×EUV, что представляет собой поток солнечной энергии EUV ≈ 5.1 мВт/м2)

Скачать (217KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Коэффициент фракционирования (разделения) изотопов азота (пунктирные) и кислорода (сплошные) за счет потерь, вызванных СВ, в зависимости от EUV-потока (при давлении СВ Psw0 = 1.4 нПа и в отсутствие собственного магнитного поля BTot = 0 мкТл)

Скачать (81KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Скорости потерь ионов кислорода O+ (сплошные) и азота N+ (пунктирные) в зависимости от солнечного EUV-потока: (a) – вклад каждого механизма диссипации для квадрупольного магнитного поля с мкТл и при давлении СВ 1.4 нПа; (б, в) – суммарные скорости потери O+ и N+ для различных напряженностей и конфигураций магнитного поля при 1.4 нПа и 30 нПа

Скачать (262KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Скорости потерь ионов кислорода O+ (сплошные) и азота N+ (пунктирные) для квадрупольного магнитного поля с мкТл (тонкие) и = 0. 25 мкТл (толстые) в зависимости от давления СВ

Скачать (99KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025