自大約 45 億年前形成以來，地球有著漫長而複雜的歷史。最初，它是一個熔球，但最終，它冷卻並分化了。月球是由地球與名為 Theia 的原行星（可能）碰撞形成的，海洋形成，並且在大約 40 億年前的某個時間點，出現了簡單的生命。
這些是粗略的筆觸，科學家們一直在努力填寫地球歷史的詳細時間表。但在時間線上有許多重要且難以理解的時期，排列成科學方法的目標。其中之一涉及紫外線輻射及其對早期生命的影響。
一項新的研究探討了紫外線輻射對地球早期生命形式的影響，以及它可能如何塑造了我們的世界。
太陽用對生命有害的紫外線輻射轟擊地球。紫外線輻射約佔太陽輻射的百分之十。大多數不是電離輻射，但它仍然會破壞 DNA，導致曬傷，並導致面板癌。
對我們來說幸運的是，地球的臭氧層（O3 層）是抵禦紫外線輻射的保護屏障。O 3 層在地球表面提供不同程度的紫外線防護，這會隨著季節和緯度而變化。總體而言，它可以防止 97% 到 99% 的太陽中頻紫外線照射到地球表面。但是臭氧層的有效性取決於地球大氣中的氧氣含量，並且該含量隨著時間的推移而波動。地球大氣氧含量最顯著的變化發生在大氧化事件（GOE）中，該事件及其對臭氧的影響是這項新研究的重點。
新研究的標題是“地球氧化歷史期間臭氧柱的修正下限估計”。主要作者是博士 Gregory Cooke。利茲大學物理與天文學學院研究員。該論文發表在皇家學會開放科學雜誌上。
GOE 將地球大氣中的氧氣含量從接近零提高到今天的水平，大約 21%。那發生在大約 24 億到 20 億年前。科學家們將這種上升歸因於藍藻的出現，也稱為藍藻。藍藻大約在 27 億年前出現，並利用光合作用產生能量。所有光合作用的副產品是氧氣。
科學家們說，早在 23.3 億年前，科學家認為標誌著氧氣在大氣中永久存在的開始的大氧化事件 (GOE) 就開始了。學分：麻省理工學院
地球的氧氣水平隨著時間的推移而波動，但 GOE 是地球氧氣水平歷史上最重要的事件。另一個名為新元古代氧合事件的事件可能在提高地球氧氣水平方面也發揮了重要作用。儘管如此，它並沒有像 GOE 那樣被充分理解，甚至沒有得到認可。但無論如何，隨著氧氣含量的增加，臭氧也隨之增加。
先前的研究表明，當氧氣含量低至百分之一時，臭氧可以保護地球免受有害輻射。但這項新研究得出了不同的結論。它表明，大氣層需要現代地球 5% 到 10% 的氧氣來保護生命免受紫外線輻射。
這對地球上的早期生命意味著什麼？
“這可能對生命的進化產生了迷人的影響。我們知道，如果生命暴露在過多的環境中，紫外線輻射會產生災難性的影響，”主要作者庫克在新聞稿中說。“例如，它會導致人類面板癌。一些生物體具有有效的防禦機制，許多生物體可以修復紫外線輻射造成的一些損害。”
“雖然增加的紫外線輻射量不會阻止生命的出現或進化，但它可能會起到選擇壓力的作用，讓生物體能夠更好地應對更多的紫外線輻射，從而獲得優勢，”庫克說。
地球氣候歷史模型是本研究的基礎。模型表明，先前對錶面紫外線水平的估計可能低估了紫外線照射。相反，地球受到的紫外線可能比我們想象的要多十倍。
在過去的 24 億年中，到達地球表面的紫外線輻射水平可能發生了變化。信用：格雷格庫克/皇家學會開放科學
本研究中的建模與早期的建模工作不同。以前的努力依賴於地球時間氧的一維建模。但這項研究使用了更多的複雜性。該研究使用，一個完整的大氣化學氣候模型來模擬 在適用於地球的元古代和顯生宙條件下 隨著 O 2濃度變化的三維 O 3變化，作者在他們的論文中解釋道。“我們展示了氧氣對 O 3 <臭氧> 層（其大小和空間變化）的三維影響，並討論了這如何影響宜居性估計。”
該研究使用了整個大氣社群氣候模型— WACCM6。WACCM6 結合了大氣、陸地、陸地冰、海洋和海冰子模型。該團隊在他們的研究中進行了 12 次不同的模擬。
這張圖片是 WACCM6 地球系統模型的示意圖。在這項工作中，WACCM6 使用了完全互動的海洋模型和陸冰、海冰、陸地和大氣模型。WACCM6 具有完全耦合的化學和物理，這是一種最先進的溼物理方案，可以模擬工業化前大氣中高達約 140 公里的高度。圖片來源：庫克等人。2022/利茲大學
科學家們使用多布森單位來測量大氣臭氧水平。一個多布森單位是在 0 攝氏度的溫度和 1 個大氣壓（地球表面的氣壓）的壓力下，產生一層 0.01 毫米厚的純臭氧層所需的臭氧分子數。
該研究中的這張圖片顯示了地球臭氧柱的密度，以多布森為單位。影象的每個部分都顯示了不同大氣氧氣水平的 DU，以 PAL 或當前大氣水平的百分比表示。黃色代表更多的臭氧，紫色代表更少的臭氧。黑色代表臭氧層中的空洞。請注意，每個部分的比例不同。圖片來源：庫克等人。2022/利茲大學
如果地球上的生命暴露在比以前想象的更多的紫外線下，它就會成為自然選擇的一個組成部分。以某種方式適應的生物——透過隱藏在地下、修復損壞等——將在沒有這些適應的情況下戰勝生物。
庫克說：“如果我們的模型表明地球氧化歷史期間的大氣情景，那麼在超過十億年的時間裡，地球可能一直沐浴在比以前認為的更強烈的紫外線輻射中。”
“這可能對生命的進化產生了迷人的影響。目前尚不清楚動物何時出現或它們在海洋或陸地上遇到的情況。然而，根據氧氣濃度的不同，動植物可能面臨比當今世界更惡劣的條件。我們希望將來可以探索我們結果的全面進化影響。”
關於地球的一切都比一兩個簡單的因素更復雜。臭氧層的強度以及它保護生命免受紫外線輻射的程度在很大程度上取決於氧氣水平。但是還有許多其他因素在起作用，比如大氣混合和太陽輸出的強度。我們的工業活動和其他生物過程也會影響臭氧層。有興趣的讀者可以詳細探討該主題和論文。
這項工作有幾個有趣的收穫。首先是如果沒有足夠的紫外線保護，我們就不會在這裡，如果早期的生命沒有受到更多的紫外線照射，我們也可能不會在這裡。我們可以稱之為紫外線二分法嗎？
另一個令人興奮的收穫涉及系外行星以及我們對它們日益增長的興趣。由於詹姆斯韋伯太空望遠鏡的發射——萬歲！——科學家們將能夠更詳細地研究系外行星大氣。這些大氣中氧氣和臭氧等氣體的存在和數量將幫助我們瞭解潛在的系外行星宜居性。本研究中的建模可能是解釋 JWST 的結果和理解系外行星和生命可能性的難題之一。
