L'atmosphère terrestre est notre meilleure défense contre les supernovae proches, suggère une étude

L'atmosphère protectrice de la Terre a abrité la vie pendant des milliards d'années, créant un refuge où l'évolution a produit des formes de vie complexes comme la nôtre. La couche d'ozone joue un rôle essentiel en protégeant la biosphère des rayons UV mortels. Il bloque 99 % des puissants rayons UV du soleil. La magnétosphère terrestre nous abrite également.

Mais le soleil est relativement docile. Dans quelle mesure l’ozone et la magnétosphère sont-ils efficaces pour nous protéger des puissantes explosions de supernova ?

Tous les millions d'années, soit une petite fraction des 4,5 milliards d'années de vie de la Terre, une étoile massive explose à moins de 100 parsecs (326 années-lumière) de la Terre. Nous le savons parce que notre système solaire se trouve à l’intérieur d’une bulle massive dans l’espace appelée bulle locale.

Il s’agit d’une région caverneuse de l’espace où la densité de l’hydrogène est bien inférieure à celle de l’extérieur de la bulle. Une série d’explosions de supernovae au cours des 10 à 20 millions d’années précédentes a creusé la bulle.

Les supernovae sont dangereuses, et plus une planète en est proche, plus ses effets sont mortels. Les scientifiques ont spéculé sur les effets des explosions de supernova sur Terre, se demandant si elles avaient déclenché des extinctions massives ou au moins partielles.

Le sursaut gamma et les rayons cosmiques d'une supernova peuvent appauvrir la couche d'ozone sur Terre et permettre aux rayons UV ionisants d'atteindre la surface de la planète. Ces effets peuvent également créer davantage de particules d’aérosol dans l’atmosphère, augmentant ainsi la couverture nuageuse et provoquant un refroidissement global.

Un nouvel article de recherche publié dans Communications Terre et Environnement examine les explosions de supernova et leurs effets sur Terre. Son titre est “L'atmosphère terrestre protège la biosphère des supernovae proches”. L'auteur principal est Theodoros Christoudias du Centre de recherche sur le climat et l'atmosphère de l'Institut chypriote de Nicosie, Chypre.

La bulle locale n’est pas la seule preuve de supernovae à effondrement du noyau (SNe) à proximité au cours des derniers millions d’années. Les sédiments océaniques contiennent également ⁶⁰Fe, un isotope radioactif du fer avec une demi-vie de 2,6 millions d'années.

SNe expulser ⁶⁰Fe dans l'espace lorsqu'ils explosent, indiquant qu'une supernova proche a explosé il y a environ 2 millions d'années. Il y a aussi ⁶⁰Fe dans les sédiments qui indiquent une autre explosion de SN il y a environ 8 millions d'années.

Les chercheurs ont corrélé une explosion de SN avec l'extinction du Dévonien supérieur il y a environ 370 millions d'années. Dans un article, des chercheurs ont découvert des spores de plantes brûlées par la lumière UV, ce qui indique que quelque chose de puissant a appauvri la couche d'ozone sur Terre. En fait, la biodiversité terrestre a décliné pendant environ 300 000 ans avant l’extinction du Dévonien supérieur, ce qui suggère que plusieurs SNe auraient pu jouer un rôle.

La couche d'ozone sur Terre est en constante évolution. Lorsque l'énergie UV l'atteint, elle brise les molécules d'ozone (O₃) à part. Cela dissipe l'énergie UV et les atomes d'oxygène se combinent en O₃ encore. Le cycle se répète.

C'est une version simplifiée de la chimie atmosphérique impliquée, mais elle sert à illustrer le cycle. Une supernova proche pourrait perturber le cycle, réduisant ainsi la densité de la colonne d'ozone et permettant à des UV plus mortels d'atteindre la surface de la Terre.

Mais dans le nouvel article, Christoudias et ses collègues auteurs suggèrent que la couche d'ozone terrestre est beaucoup plus résiliente qu'on ne le pensait et qu'elle offre une protection suffisante contre le SNe dans un rayon de 100 parsecs. Alors que des chercheurs précédents ont modélisé l'atmosphère terrestre et sa réponse à un SN proche, les auteurs affirment avoir amélioré ce travail.

Ils ont modélisé l'atmosphère terrestre avec un modèle de systèmes terrestres avec chimie atmosphérique (EMAC) pour étudier l'impact des explosions de SNe à proximité sur l'atmosphère terrestre. En utilisant EMAC, les auteurs affirment avoir modélisé « la dynamique complexe de la circulation atmosphérique, la chimie et les rétroactions des processus » de l’atmosphère terrestre.

Ceux-ci sont nécessaires pour « simuler la perte d'ozone stratosphérique en réponse à une ionisation élevée, conduisant à une nucléation induite par des ions et à une croissance de particules en CCN » (noyaux de condensation des nuages).

“Nous supposons un SN représentatif à proximité avec des taux d'ionisation GCR (rayons cosmiques galactiques) dans l'atmosphère qui sont 100 fois supérieurs aux niveaux actuels”, écrivent-ils. Cela correspond à une explosion de supernova à environ 100 parsecs ou 326 années-lumière.

“L'appauvrissement maximal de la couche d'ozone au-dessus des pôles est inférieur au trou d'ozone anthropique actuel au-dessus de l'Antarctique, ce qui équivaut à une perte de colonne d'ozone de 60 à 70 %”, expliquent les auteurs. “D'un autre côté, il y a une augmentation de l'ozone dans la troposphère, mais elle reste bien dans les limites résultant de la récente pollution anthropique.”

Mais allons droit au but. Nous voulons savoir si la biosphère terrestre est sûre ou non.

L’appauvrissement moyen maximal de l’ozone stratosphérique dû à des rayonnements ionisants 100 fois supérieurs à la normale, représentatifs d’un SN proche, est d’environ 10 % à l’échelle mondiale. C’est à peu près la même diminution que celle provoquée par notre pollution anthropique. Cela n’affecterait pas beaucoup la biosphère.

“Bien qu'importants, il est peu probable que de tels changements dans l'ozone aient un impact majeur sur la biosphère, notamment parce que la majeure partie de la perte d'ozone se produit aux hautes latitudes”, expliquent les auteurs.

Mais c'est pour la Terre moderne. Au Précambrien, avant que la vie n’explose sous une multiplication de formes, l’atmosphère ne contenait qu’environ 2 % d’oxygène. Comment un SN affecterait-il cela ? “Nous avons simulé une atmosphère à 2 % d'oxygène, car cela représenterait probablement des conditions dans lesquelles la biosphère émergente sur terre serait encore particulièrement sensible à l'appauvrissement de la couche d'ozone”, écrivent les auteurs.

“La perte d'ozone est d'environ 10 à 25 % aux latitudes moyennes et d'un ordre de grandeur inférieur sous les tropiques”, écrivent les auteurs. Aux niveaux d'ozone minimaux aux pôles, les rayonnements ionisants d'un SN pourraient en fait finir par augmenter la colonne d'ozone. “Nous concluons qu'il est peu probable que ces changements dans l'ozone atmosphérique aient eu un impact majeur sur la biosphère terrestre émergente au cours du Cambrien”, concluent-ils.

Qu’en est-il du refroidissement global ?

Le refroidissement global augmenterait, mais pas dans une mesure dangereuse. Au-dessus des océans Pacifique et Austral, le CCN pourrait augmenter jusqu’à 100 %, ce qui semble beaucoup. “Ces changements, bien que pertinents sur le plan climatique, sont comparables au contraste entre l'atmosphère préindustrielle vierge et l'atmosphère polluée d'aujourd'hui.” Ils disent que cela refroidirait l’atmosphère à peu près autant que nous la réchauffons actuellement.

Les chercheurs soulignent que leur étude concerne l’ensemble de la biosphère et non les individus. “Notre étude ne prend pas en compte les risques directs pour la santé des humains et des animaux résultant d'une exposition à des rayonnements ionisants élevés”, écrivent-ils.

Selon les circonstances individuelles, les individus pourraient être exposés à des niveaux dangereux de rayonnement au fil du temps. Mais dans l’ensemble, la biosphère continuerait de bourdonner malgré une multiplication par 100 du rayonnement UV. Notre atmosphère et notre magnétosphère peuvent le gérer.

“Dans l'ensemble, nous constatons qu'il est peu probable que les SNe proches aient provoqué des extinctions massives sur Terre”, écrivent les auteurs. “Nous concluons que l'atmosphère et le champ géomagnétique de notre planète protègent efficacement la biosphère des effets du SNe voisin, ce qui a permis à la vie d'évoluer sur terre au cours des dernières centaines de millions d'années.”

Cette étude montre que la biosphère terrestre ne souffrira pas beaucoup tant que les explosions de supernova resteront à distance.