Substantial extension of the lifetime of the terrestrial biosphere
本研究通过耦合植物生产力、硅酸盐风化与气候模型，发现风化的温度/CO₂依赖性可延缓并逆转未来CO₂下降，将陆生植物存活时间从10亿年延长至16-18.6亿年，修正了陆地生命消亡机制，对理解地外复杂生命存续也有启示。
2024-09-16 astro-ph.EP q-bio.PE
Evolution of Earth-like extrasolar planetary atmospheres: Assessing the atmospheres and biospheres of early Earth analog planets with a coupled atmosphere biogeochemical model
了解地球的演化和可能适合居住的类地世界对于弄清我们在宇宙中的起源至关重要。在宜居带寻找类地行星，并利用气候和光化学模型研究其大气层，是系外行星科学的一个中心焦点。以地球的演化作为类地行星的参考，一个核心的科学目标是了解早期地球上大气、地质和生物之间的相互作用。地球历史上的大氧化事件（GOE）当然是由它们的相互作用引起的，但这一事件的起源和控制过程还没有得到很好的理解，这将需要跨学科的研究，耦合模型。在这项工作中，我们提出了我们新开发的耦合大气生物地球化学模型，其中大气O $_2$浓度固定的地质证据推断的值的结果。应用一种独特的工具，我们是第一个定量分析的催化循环，管理O $_2$在早期地球的大气层附近的GOE。复杂的氧化途径在破坏O $_2$中起着关键作用，而在高层大气中，大多数O $_2$是通过CO $_2$光解非生物形成的。Goldblatt等人（2006）发现的O $_2$双稳态在我们的计算中未观察到，这可能是由于我们详细的CH $_4$氧化方案。我们计算出GOE期间CH $_4$随O $_2$增加而增加。对于给定的大气表面通量，不同的大气状态是可能的;然而，生物圈的净初级生产力（NPP），生产O $_2$是唯一的。混合，CH $_4$通量，海洋溶解度和地幔/地壳的性质强烈影响NPP和表面O $_2$通量。关于系外行星，O $_2$的不同“状态”可能存在类似的生物量输出。强烈…
2018-07-18 astro-ph.EP
Planetary Scale Information Transmission in the Biosphere and Technosphere: Limits and Evolution
本文通过数量级模型估算地球生物圈与技术圈的全球信息传输速率，发现生物圈当前领先约9个数量级，但在指数增长假设下技术圈约90年后可能反超。
2023-09-05 astro-ph.EP physics.bio-ph physics.soc-ph
Effects of primitive photosynthesis on Earth's early climate system
不同形式的光合作用生命的进化深刻地改变了生物圈的活动水平，随着时间的推移，从根本上重塑了地球海洋和大气的组成。然而，原始光合生物圈对地球早期大气化学和气候的机械影响却知之甚少。在这里，我们使用一个全球氧化还原平衡模式来探讨不同形式的原始光合作用的地球化学和气候效应。我们发现，基于H2和基于Fe的无氧光合自养生物的混合生态系统-进行光合作用而不产生氧气的生物-引起地球甲烷（CH 4）循环的强烈非线性放大，因此代表了地球早期气候系统的关键组成部分在有氧光合作用出现之前。使用蒙特卡罗方法，我们发现，一个混合的光合生物圈扩大了地球化学条件的范围，使温暖的气候状态远远超出这些代谢过程中孤立地发挥作用。我们的研究结果表明，地球的早期气候是由一个新的和探索不足的一套监管反馈连接缺氧生物圈和耦合的H，C和Fe循环。我们建议，类似的过程中，应考虑评估潜在的持续居住在类地行星减少大气。
2019-07-30 astro-ph.EP
Evolution of Earth-like planetary atmospheres around M-dwarf stars: Assessing the atmospheres and biospheres with a coupled atmosphere biogeochemical model
在寻找太阳系外的生命时，围绕M矮星运行的类地行星是未来的主要目标。我们应用我们新开发的耦合大气生物地球化学模型来研究生物圈，地圈和大气之间的耦合，以更深入地了解绕M-矮星运行的类地行星的大气演化。我们的主要目标是更好地了解影响这些世界生物特征和气候的大气过程。此外，这是第一项研究，以我们的知识，适用于自动化的化学途径分析，量化的生产和破坏途径的O $_2$的类地行星与太古代O $_2$丰度轨道的宜居带的M-矮星AD狮子座。结果表明，产生的主要产品在高层大气中从CO $_2$光解，然后催化HO $_x$反应。最强的破坏并不发生在对流层，就像Gebauer等人（2017）在太阳周围的早期地球模拟行星的情况一样，而是发生在中间大气层，那里的H $_2$ O光解最强。这一结果是由AD Leo的强莱曼- $α$ -辐射输出驱动的，它有效地光解H $_2$ O.结果进一步表明，围绕类似AD Leo的M矮星运行的行星的早期类地大气层对大气O $_2$的破坏性绝对小于太阳周围的早期地球类似行星，尽管还原气体的浓度较高，例如H $_2$，因此，在地表产生相同数量的大气O $_4$所需的净初级生产力（NPP）降低。这意味着一个可能的大氧化事件，类似于地球上的事件，会在M矮星周围的模拟大气中发生更早的时间。
2018-07-27 astro-ph.EP
False negatives for remote life detection on ocean-bearing planets: Lessons from the early Earth
地球上的海洋-大气化学在其漫长的历史中经历了巨大的演变变化，对大气生物特征的出现和长期稳定性产生了潜在的重大影响。虽然大量的工作集中在完善我们对远程生命探测误报的理解上，但对误报的可能性的关注要少得多，即在行星表面广泛而活跃的神秘生物圈，但最终无法检测到或难以检测到行星大气层的组成。在这里，我们总结了地球化学代用记录和地球系统模型的最新进展，这些模型提供了对地球上最容易检测到的潜在生物特征气体--氧气（O2）、臭氧（O3）和甲烷（CH 4）--的长期演变的深入了解。我们认为，典型的O2-CH 4不平衡的生物签名可能是具有挑战性的远程检测在地球的~ 45亿年的历史，在一般大气中的O2/O3水平一直是一个穷人的代理地球生物圈的存在，但在过去的~ 5亿年。我们进一步认为，探测大气中的CH 4在地球历史的最后25亿年的大部分时间里都是有问题的。更广泛地说，我们强调，生物特征气体的内部海洋再循环往往会使表面生物圈上的海洋承载硅酸盐世界的神秘，这意味着最有利于发展和维护一个普遍的生物圈的行星往往是具有挑战性的，通过传统的大气生物特征。
2017-02-03 astro-ph.EP
A sluggish mid-Proterozoic biosphere and its effect on Earth's redox balance
在中元古代（18亿至8亿年前，Ga），大气中氧气（O2）水平可能很低，但并不平凡，这对于理解地球的O2循环，复杂生命的进化和不断变化的气候稳定性具有重要的影响。然而，面对持续的生物产氧，稳定这些O2水平所需的调节机制和氧化还原通量仍然不确定。本文建立了一个C-N-P-O_2-S循环的地球化学模型，并将其应用于中元古代海洋-大气系统的全球氧化还原平衡研究。通过采用蒙特卡洛方法，结合地质记录的观测结果，我们推断，生物圈O2的净生产率为3.5（+1.4-1.1）Tmol年-1（1-sigma），或约为今天值的25%，这主要是由于海洋内部的磷缺乏。黄铁矿埋藏在海洋沉积物中将代表一个可比的或更重要的O2源比有机碳埋藏，这意味着地球的硫循环在平衡氧循环和调节大气中的O2水平的潜在重要作用。我们的统计方法提供了一个独特的全面的地球系统地球化学和全球O2循环在中元古代的时间，并暗示严重的P biolimitation作为前寒武纪地球化学和生物演化的背景。
2019-07-31 astro-ph.EP
The remote detectability of Earth's biosphere through time and the importance of UV capability for characterizing habitable exoplanets
迄今为止，在我们的太阳系之外已经发现了数千颗行星，其中数十颗是岩石组成的，并在其宿主恒星的星周宜居带内运行。太阳系以外生命探测的下一个前沿将是详细描述潜在可居住世界的大气特征，从而迫切需要全面了解控制大气生物特征出现和维持的因素。理解地球系统演化是这一追求的核心，对地球演化的精确理解可以为系外行星科学的观测和解释框架提供实质性的见解。使用这个框架，我们认为，在这里，紫外线观测可以帮助有效地减轻“假阳性”的情况下，基于氧的生物特征，而“假阴性”的情况下，可能是一个重要的问题，缺乏紫外线能力的生物特征调查。展望未来，我们认为，良好的解决紫外线观测将是至关重要的近期体积有限的调查，可居住的行星轨道附近的类太阳恒星，并将提供潜在的生物特征检测在最多样化的光谱还原，弱含氧，和氧可居住的类地行星。
2019-03-13 astro-ph.EP
On detecting biospheres from chemical thermodynamic disequilibrium in planetary atmospheres
大气化学不平衡已被提出作为一种方法，用于探测地球外生物圈的系外行星观测。化学不平衡可能是一种广义的生物特征，因为它没有对特定的生物气体或代谢进行假设。在这里，我们提出了第一个严格的计算热力学化学不平衡在太阳系大气中，我们量化了可用的吉布斯能：吉布斯自由能的观测大气减去大气中的气体反应平衡。地球大气中的纯气相不平衡主要归因于O2和CH 4。与其他太阳系大气相比，可用的吉布斯能并不罕见，而且比火星小。然而，地球的流体包层包含海洋，允许气体与水反应，并需要使用含水物质进行多相计算。地球大气-海洋系统的不平衡（焦耳每摩尔大气）比太阳系其他大气的不平衡大20到2 E6倍。只有在地球上，化学不平衡能量才能与每摩尔大气的热能相比。地球的不平衡是生物造成的，主要是由N2、O2和液态水共存而不是更稳定的硝酸盐造成的。相比之下，O2-CH 4不平衡是轻微的。我们确定非生物的过程，导致其他大气中的不平衡。我们的度量标准需要最少的假设，并且可能使用系外行星大气的观测来计算。然而，需要进一步的工作来确定热力学不平衡是否是一个实际的系外行星生物特征，需要评估误报，噪音观测和其他探测挑战。我们用于这些计算的Matlab代码和数据库是开源的。
2015-10-11 astro-ph.EP
The effect of a biosphere on the habitable timespan of stagnant-lid planets and implications for the atmospheric spectrum
本研究通过模型探讨生物圈对类地停滞盖行星宜居时间跨度的影响，发现生物风化可延长宜居期约10亿年，并在大气光谱中留下可观测的CO₂和CH₄特征，为识别宜居系外行星提供新途径。
2024-12-16 astro-ph.EP
Maximum Lifetime of the Vegetative Biosphere
Blue Marble Space（蓝大理石空间）；Laboratory for Atmospheric and Space Physics, University of Colorado Boulder（科罗拉多大学博尔德分校大气与空间物理实验室）
使用三维模型计算地球未来不同时期的稳态气候，发现一维模型高估了增温，并评估了强风化和弱风化两种极限情况下植被生物圈的寿命。
2026-05-29 astro-ph.EP
In Search of Future Earths: Assessing the possibility of finding Earth analogues in the later stages of their habitable lifetimes
地球将在2-3 Gyr内变得不适合居住，这是由于太阳亮度增加导致的宜居带边界移动的结果。对地球上未来可居住条件的预测包括物种多样性和生境范围的减少、海洋损失和地球化学循环幅度的变化。然而，在当今的地球上测试这些预测是困难的。发现一颗与遥远的未来地球相似的行星，可以为测试这些预测提供一种手段。这样的行星需要有一个类似地球的生物圈历史，要求它在系统的过去已经在其系统的宜居带（HZ）中存在了Gyr长的时间，并且目前正在接近HZ的内边缘。在这里，我们评估了发现这种非常特殊类型的系外行星的可能性，并讨论了分析更古老的地球在提高我们对长期地质和生物地质过程的理解方面的好处。作为一个说明性的例子，在10秒差距内的G星被评估为潜在的旧地球类似主机。对假设的内HZ地球类似物的地面温度估计被用来确定这些系统中是否有任何这样的行星在其晚期可居住的生命中处于正确的阶段，以表现出可检测的生物特征。根据行星形成研究和生物圈演化模型的预测，在太阳附近只有0.36%的G星可以拥有一个古老的地球类似物。然而，如果假设类地生物圈的发展是罕见的，需要一系列低概率事件发生，那么这样的行星不太可能在太阳附近被发现-尽管整个银河系可能存在1000个。
2015-02-18 astro-ph.EP
Isotopic constraints on lightning as a source of fixed nitrogen in Earth's early biosphere
本研究通过火花放电实验发现闪电固氮在太古宙与现代效率相当，其产生的氮同位素δ15N值极低，支持生物固氮早于3.2 Ga出现，但部分3.7 Ga记录可能与闪电固氮输入一致。
2023-05-22 astro-ph.EP astro-ph.IM hep-ex
Anoxygenic photosynthesis and the delayed oxygenation of Earth's atmosphere
产氧光合作用的出现创造了一个新的生态位，具有巨大的潜力来改变地球生物圈的能量流。然而，更原始的光合作用形式使用还原物种如Fe（II）和H2的电子而不是水将CO2固定到生物质中，这将与地球早期的含氧生物圈竞争必需的营养物质。在这里，我们结合实验微生物学，基因组分析，和地球系统建模，以证明在海洋表面的光和营养物质的竞争之间的含氧光合细菌和Fe（II）氧化，缺氧光合作用（photoferrotrophs）转化为减少全球光合O2释放时，海洋内部是Fe（II）丰富。这些结果提供了一个简单的生态生理机制，抑制大气氧化在地球的早期历史。我们还发现了一个新的正反馈耦合C-P-O-Fe循环，可以导致失控的行星氧上升的大气pO 2扫描深海的亚铁基质的光致铁营养。
2019-07-30 astro-ph.EP
Investigations into the impact of astronomical phenomena on the terrestrial biosphere and climate
这篇论文评估了天文现象对地球生物圈和气候的影响。我研究特别是太阳通过银河系的路径和地球的轨道参数在调制非地球机制的演变的相关性。我建立模型来预测物种的灭绝率，撞击坑形成率和冰盖消融的时间变化，然后将这些模型与贝叶斯框架内的其他模型进行比较。我发现，在过去的5.5亿年的大规模灭绝事件的时间分布可以解释为一个均匀的随机分布，以及其他模型，如恒星密度的变化所产生的太阳的轨道。鉴于银河系模型和太阳当前相空间坐标的不确定性，以及地质数据的错误，不可能在地球灭绝和太阳运动之间建立明确的联系。在另一项研究中，我发现太阳的运动，它调节了施加在奥尔特云彗星上的银河潮汐力，并没有显著影响陨石坑的形成率。我的动力学模型，连同太阳的顶点运动，可以解释各向异性近日点的长周期彗星，而不需要调用的存在一个太阳质量的同伴。最后，我发现，在过去的200万年，地球的湿度的变化在触发陆地冰川消退中起着主导作用。相比之下，只有在冰川覆盖率从100 kyr的主要周期性转变为41 kyr的主要周期性（发生在70万年前）之后，春分点的岁差才在测定大规模冰川消退的速度方面变得重要。
2015-05-28 astro-ph.EP astro-ph.GA physics.ao-ph
Sharp Rise in Cosmic Ray Irradiation of Organisms on Earth Caused by a Nearby SN Shockwave Passage
本文通过建模研究邻近超新星激波加速的宇宙线对地球生物圈的影响，发现激波穿越太阳系时宇宙线通量急剧上升，显著增强地表及深水环境的电离和突变率，并估算出能量约10^51 erg的超新星致死距离约为18 pc。
2024-08-30 astro-ph.EP astro-ph.HE physics.ao-ph
Photosynthesis on habitable planets around low-mass stars
我们发现，行星周围的M-矮星与$M_\star \lesssim 0.2 M_\odot$可能不会收到足够的光子在光合作用活跃的范围$400$ - $750$ nm维持类地生物圈。由于生物生产力较低，生物分子氧可能不会在绕低质量恒星运行的宜居行星的大气中积累到可检测的水平，这与Lehmer等人先前的工作一致。我们还估计了维持生物圈与地球一样的生产力，并允许建立大气中的氧气的最低燃烧率，并发现绝大多数的M-矮星不太可能超过这个阈值。
2019-03-20 astro-ph.EP astro-ph.SR
Short-term effects of Gamma Ray Bursts on oceanic photosynthesis
我们继续我们以前关于伽马射线暴对地球生物圈的潜在短期影响的工作，重点是对生命的唯一重要短期影响：由于伽马辐射通过大气层的重新传输而发生的紫外线闪光。因此，在这项工作中，我们计算的紫外线辐射穿透水柱的第一百米，Jerlov的海水类型I，II和III。然后，我们估计的紫外线闪光潜在的光合作用抑制，表明它可以是重要的，在相当大的一部分的水柱与光足以进行光合作用，所谓的透光区。
2010-07-16 astro-ph.EP
Atmospheric Seasonality as an Exoplanet Biosignature
目前对系外行星生物特征的研究主要集中在生命的静态证据上，例如O2或CH 4等生物气体的存在。然而，预期的类地行星大气的多样性和常规生物特征的假阳性和假阴性的可能性促使探索额外的生命检测策略，包括时变信号。大气成分的季节性变化是地球上的一种生物调制现象，也可能发生在其他地方，因为它是生物圈和时变日照之间相互作用的自然结果。寻找季节性作为生物特征将避免许多关于特定代谢的假设，并提供直接量化生物通量的机会-使我们能够表征，而不是简单地识别系外行星上的生物圈。尽管有这种潜力，但还没有全面的研究季节性作为系外行星的生物特征。在这里，我们提供了一个基础，进一步的研究，通过审查生物和非生物控制的幅度和可检测性的大气CO2，CH 4，O2，和O3在地球上的季节性。我们还考虑了一个有人居住的世界的例子，其中大气的季节性可能是其生物圈最显着的表现。我们表明，生活在一个低O2的行星，如弱含氧的中元古代地球可以指纹O3的季节性变化，揭示在其UV哈特利-哈金斯带。这个例子强调了未来直接成像望远镜任务对紫外能力的需求（例如，LUVOIR/HabEx），并说明了研究时间生物特征对系外行星生命探测/表征的诊断重要性。
2018-06-12 astro-ph.EP
Short-term Effects of Gamma Ray Bursts on Earth
目前工作的目的是研究伽马射线暴对地球大气和生物圈的潜在短期影响。我们聚焦于行星表面的紫外线闪光，这是$γ$辐射通过大气层传播的结果。这将是对生命唯一重要的短期影响。我们主要考虑太古代和元古宙，为了完整起见，我们也评论了古生代。因此，在我们的研究中，我们认为大气中的氧气水平范围从$10^{-5}$到目前大气水平的1%，代表了氧气上升历史中的不同时刻。生态后果和一些战略，以估计其重要性进行了概述。
2009-04-10 astro-ph.EP astro-ph.HE
Modeling pN2 through Geological Time: Implications for Planetary Climates and Atmospheric Biosignatures
氮是地球上所有生命的主要营养素，并且很可能在地外生物圈中发挥类似的作用。地球表面氮的主要储存库是大气中的N2，但最近的研究提出，这个储存库的大小可能在地球历史的过程中波动很大，在新太古代的水平特别低-可能是生物活动的结果。我们使用了一个地球化学箱模型来测试哪些条件是造成大气N2压力大幅波动的必要条件。我们的模型的参数受到现代地球的观测和重建的生物质埋藏和氧化风化在深的时间。一个一维气候模式被用来模拟对大气气候的潜在影响。在第二组测试中，我们扰动了我们的盒子模型，以研究哪些参数对大气pN 2的演变影响最大，并考虑对其他行星上氮循环的可能影响。我们的研究结果表明，（a）在太古代，需要高速率的生物质埋藏，以将大气pN 2降低到不到现代水平的一半，（b）由此产生的对温度的影响可能已经通过增加太阳光度和pCO 2的温和增加得到补偿，以及（c）大气氧化可能通过氧化风化引发了逐步pN 2反弹。一般来说，生命似乎是类地行星上大气pN 2显著波动的必要条件。我们的研究结果进一步支持了这样一种观点，即富含N2和O2的系外行星大气是产氧生物圈的标志。
2016-12-08 astro-ph.EP
Solar irradiance changes and photobiological effects at Earth's surface following astrophysical ionizing radiation events
天体物理电离辐射事件已被确认为对地球生命的潜在威胁，主要是由于平流层臭氧的消耗和随后地表太阳紫外线辐射的增加。对各种事件（如超新星、伽马射线暴和太阳质子事件）的大气影响的模拟，以及对地球表面生物损害的估计，以前已经发表过。在这项工作中，我们采用TUV辐射转移模型扩展和改进电离辐射事件后的表面水平辐照度和生物影响的计算。我们考虑了晴空条件和固定气溶胶参数值下地表UVB、UVA和光合有效辐射（可见光）的变化。我们还考虑了对从人类到浮游植物的生物体的广泛生物效应。我们发现，过去的工作高估了UVB辐照度，但对DNA损伤辐射暴露增加的相对估计仍然与我们改进的计算相似。我们还发现，生物破坏性辐射的强度随生物体和特定影响的考虑而变化很大;这些结果对天体物理电离辐射事件后的生物圈级损伤有影响。当考虑表面水平可见光辐照度的变化时，我们发现，与先前的假设相反，辐照度的降低仅在非常有限的地理区域中存在很短的时间;相反，我们发现大部分建模的时空区域净增加。这一结果对与电离辐射事件有关的拟议气候变化具有影响。
2015-01-23 astro-ph.EP astro-ph.HE q-bio.PE
Gamma-Ray Bursts as a Threat to Life on Earth
伽马射线暴（GRB）在过去的10亿年中可能对地球产生了许多重大影响。在几千秒差距内爆发的伽马辐射将迅速耗尽地球的大部分保护臭氧层，使到达地表的太阳紫外线辐射增加。这种辐射对生命有害，破坏DNA并导致晒伤。此外，大气中产生的NO2会导致到达地表的可见阳光减少，并可能导致全球变冷。硝酸雨可能会对生物圈的某些部分造成压力，但硝酸盐沉积的增加可能有助于陆地植物。我们已经使用了一个二维的大气模型，以研究在地球大气中的伽玛射线暴提供一系列的注量，在不同的纬度，在分点和至点，并在不同的时间一天的影响。我们已经估计了DNA损伤水平所造成的增加太阳UVB辐射，减少太阳可见光，由于NO2不透明，和硝酸盐的沉积通过雨出HNO3。在本文中，我简要回顾了这项工作，并讨论了目前和未来的工作，扩大和改善我们的估计地面的伽玛射线暴的影响。
2009-03-26 astro-ph.EP astro-ph.HE
Habitable Worlds Observatory (HWO): Living Worlds Community Working Group: The Search for Life on Potentially Habitable Exoplanets
NASA Goddard Space Flight Center（美国宇航局戈达德太空飞行中心）；NASA Ames Research Center（美国宇航局艾姆斯研究中心）；Louisiana State University（路易斯安那州立大学）；Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology（加州理工学院喷气推进实验室）；University of Washington（华盛顿大学）；Purdue University（普渡大学）；University of California at Riverside（加利福尼亚大学河滨分校）；Arizona State University（亚利桑那州立大学）；Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory（约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室）；University of Arizona Lunar and Planetary Laboratory（亚利桑那大学月球与行星实验室）；Gemini North Observatory（双子座北望远镜）；Bard College（巴德学院）；University of Oslo（奥斯陆大学）
HWO旨在通过先进设施探索潜在宜居系外行星上的生命迹象，推动对地球在宇宙中地位的理解。
2026-01-14 astro-ph.EP astro-ph.IM
Gamma Rays from UltraCompact Minihaloes: Effects on the Earth's Atmosphere and Links to Mass Extinction Events
最近关于天体物理学来源，如附近的伽马射线暴或超新星对地球大气层的影响的研究表明，这些事件可能导致大气层成分的严重变化。这些变化中最值得注意的是臭氧的消耗，它对生物体极为危险，因为臭氧水平的任何下降都会导致地球表面有害太阳辐射的辐照度增加。在这项工作中，我们认为暗物质作为伽马射线的天体物理源，通过湮灭和衰变的WIMP中发现的黑暗紧凑的晕对象称为超紧凑的迷你晕（UCMHs）。我们计算以这种方式产生的伽马射线的通量，并使用戈达德航天飞行中心二维大气模型模拟由此产生的变化，以地球臭氧水平。我们还计算了这些事件发生的速率，使用这些晕在银河系内的质量分布估计。我们发现，从UCMH的臭氧消耗可以是显着的，甚至类似的水平，已被链接到晚奥陶纪大规模灭绝事件的原因。然而，在地球的整个历史上，这种遭遇的可能性相对较低。这表明，虽然像UCMH这样的暗致密物体可能对地球生物圈产生了影响，但其他天体物理现象，如伽马射线暴或超新星似乎更有可能是这些影响的来源。
2020-07-31 astro-ph.CO astro-ph.EP astro-ph.HE
First Very Low Frequency detection of short repeated bursts from magnetar SGR J1550-5418
我们报告的第一次检测电离层扰动所造成的短期重复伽马射线暴从磁星SGR J1550-5418。在南美洲获得的甚低频（VLF）无线电波数据清楚地表明，在8个SGR爆发的相应时间突然的幅度和相位变化。VLF信号的最大幅度和相位变化似乎与γ射线注量相关。另一方面，甚低频恢复时间尺度与注量没有任何显著的相关性，这可能表明爆发的光谱彼此不相似。总之，地球电离层可以作为一个非常大的伽玛射线探测器，VLF观测为我们提供了一种新的方法来监测高能天体物理现象，如地球掩星。
2010-08-21 astro-ph.EP astro-ph.HE
Long term time variability of cosmic rays and possible relevance to the development of life on Earth
分析了地球上宇宙射线强度随其存在而变化的方式及其与生命起源和进化的可能相关性。大部分的分析都与“高能”宇宙射线（$E>10^{14}eV;=0.1PeV$）及其变化有关，这是由于太阳系与超新星遗迹的接近程度不断变化，而超新星遗迹通常被认为是造成大多数宇宙射线高达PeV能量的原因。据指出，在统计的基础上，将有相当大的变化，在可能的100米之间的地球生物圈达到合理的稳定和非常初级的生命的开始。有趣的是，PeV宇宙射线引发地球闪电的可能性越来越大，闪电频率也有可能大幅增加，从而形成了一些复杂的分子，这些分子是“生命的基石”。人们还注意到，众所周知，闪电会产生氮氧化物，这种氮氧化物对动物有毒，但对植物生长有帮助;在这里，宇宙射线强度的剧烈波动也可能与进化变化有关。我们提出的宇宙射线加速模型的一个特殊变体预测了过去闪电率的增加，这在韩国的历史记录中一直在寻找。最后，整个宇宙射线强度的时间依赖性，这主要表现在10 GeV以下的能量，已被检查。宇宙射线与“全球电路”的相关性表明了这一概念的重要性。
2010-02-27 astro-ph.EP astro-ph.HE
Astrophysical Ionizing Radiation and the Earth: A Brief Review and Census of Intermittent Intense Sources
宇宙辐射本底是生命的一个制约因素，它们的分布将影响银河系宜居带。地球上的生命是在这些背景下发展起来的，描述事件发生率将详细说明这些重要影响。这反过来又可以作为与其他潜在的生命承载行星进行比较的基础。在这篇评论中，我们估计的强度和发生率的许多种强辐射爆发的天体物理实体，从伽马射线暴在宇宙学距离太阳本身。其中许多对生物圈构成了潜在的危害：在与人类历史相比更长的时间尺度上，发生足以破坏陆地表面或海洋生命的事件的可能性变得很大。我们列举了已知的辐射源，并描述了它们在地球上的强度以及这些量的速率或上限。在可能的情况下，我们估计了一个“致命间隔”，这是我们根据目前的知识水平对重大预防性事件发生频率的最佳估计;我们将这些估计建立在计算或预期的平流层臭氧消耗的基础上。一般来说，中等水平的事件主要是由太阳，但更严重的罕见事件可能是由伽马射线暴和超新星。我们第一次注意到，所谓的“短硬”伽马射线暴是一个巨大的威胁，在规模上与超新星相当，并大于在大多数过去的工作中考虑的更高亮度的长爆发。鉴于它们的前兆，短时间爆发可能很少或没有警告。
2011-02-14 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
A Significant Sudden Ionospheric Disturbance associated with Gamma-Ray Burst GRB 221009A
我们报告了在地球电离层D区探测到一个显著的电离层扰动，它与2022年10月9日发生的大规模伽马射线暴GRB 221009 A有关。我们使用甚低频（VLF）无线电波作为D区的探测器，确定了北欧上空的扰动--伽马射线暴发射的X射线和伽马射线电离增加的结果。这些观测结果表明，河外伽玛暴可以对地球电离层产生重大影响，并说明地球电离层可以用作巨大的X射线和伽马射线探测器。事实上，这些观测结果可能会为我们了解伽玛射线暴对太阳系内外行星电离层的影响提供见解。
2022-10-27 astro-ph.EP astro-ph.HE physics.space-ph
Astrobiological Effects of Gamma-Ray Bursts in the Milky Way Galaxy
在伽马射线暴（GRB）的准直光束内具有保护性臭氧的行星可能会遭受臭氧消耗，可能导致行星表面和海洋上现有生命的大规模灭绝事件。我们模拟了长伽玛暴对银河系行星的危险，并利用了一个与主要可观测性质相匹配的银河系静态统计模型，如由内而外的恒星形成历史，金属丰度演化和3维恒星数密度分布。伽玛射线暴的形成率是恒星形成历史和金属丰度的函数;然而，化学演化在多大程度上降低了银河系中伽玛射线暴的形成率仍然是一个悬而未决的问题。因此，我们用两种模型比较了伽玛暴对银河系生物圈的破坏作用。一个模型产生的伽玛暴是由内而外的恒星形成历史的函数。另一个模型遵循恒星形成的历史，但产生的伽玛射线暴的祖先作为金属丰度的函数，从而有利于金属贫乏的主机区域的银河系随着时间的推移。如果伽玛暴的发生率只与恒星形成历史相一致，那么绝大多数伽玛暴都发生在银河系内部。然而，如果伽玛暴的祖先被限制在低金属丰度的环境中，那么伽玛暴只形成在金属贫乏的郊区在最近的时代。有趣的是，在过去的1 Gyr中，在两个模型中，在GRB中幸存下来的恒星（及其相应的行星）的表面密度仍然是内星系中最大的。目前，在太阳半径（$R_\odot=8$ kpc）范围内，长伽玛暴对生命的威胁很低。我们发现，至少有$\sim$ 65%的恒星在过去的1 Gyr伽玛暴中幸存下来。此外，当伽玛射线暴率预计已在较高的红移，如$z\gtrsim0.5$增强，我们的研究结果表明，…
2016-09-29 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.HE
Gamma Ray Bursts: Not so Much Deadlier than We Thought
我们分析了最近探测到的伽马射线暴余辉光子在高达1 TeV的范围内对行星大气的额外影响。对于一个类似地球的大气层，我们发现，有一个小的额外的臭氧消耗与模型，只有即时排放。我们还发现了一个小的增强μ子通量在行星表面。总的来说，我们的结论是，额外的余辉发射，即使与TeV的光子，并没有导致显着更大的影响，在过去的研究中发现。
2020-10-26 astro-ph.EP astro-ph.HE physics.ao-ph
Assessing Planetary Complexity and Potential Agnostic Biosignatures using Epsilon Machines
我们提出了一种新的方法来描述系外行星的特征，使用复杂性科学的技术，具有潜在的应用生物特征检测。这种不可知论的方法利用了从行星反射或发射的光的时间变化。我们使用一种称为机器重构的技术来计算统计复杂度，这是时间序列数据的极小模型大小的度量。我们证明，统计复杂性是一个有效的措施的复杂性的行星功能。定性行星复杂性的增加与统计复杂性和香农熵的增加相关，表明我们的方法可以识别具有最丰富动力学的行星。我们还将地球的时间序列与木星的数据进行了比较，发现对于所考虑的三个波长，地球的平均复杂度和熵率分别比木星高出约50%和43%。大多数探测地外生命的方案都依赖于生物化学特征和行星环境。然而，越来越多的人认识到，地外生命可能与地球上的生命非常不同。在假设生物圈的存在和可观察到的行星复杂性之间存在相关性的情况下，我们的技术提供了一种不可知的和定量的方法来测量。
2022-02-08 astro-ph.EP nlin.CD physics.data-an
Modeling high-energy cosmic ray induced terrestrial muon flux: A lookup table
在地质时间尺度上，地球很可能受到来自天体物理源的高能宇宙射线（HECR）的增加通量，这些天体物理源包括附近的超新星、伽马射线暴或银河系冲击。典型的宇宙射线能量可能比通常占主导地位的~ 1 GeV通量高得多。这些高能粒子撞击地球大气层，引发了广泛的空气淋浴。随着空气簇射传播得更深，它通过产生带电的次级粒子来电离大气。由于核相互作用而产生的μ子和热中子等次级粒子能够到达地面，增加辐射剂量。μ子占宇宙射线辐射剂量的85%。这种增加的剂量可能对生物圈有害。该机制在文献中已被广泛讨论，但从未被量化。在这里，我们已经开发了一个查找表，可以用来量化这种影响，通过建模地球μ介子通量从任何任意宇宙射线光谱与10 GeV - 1 PeV的原色。这将使我们能够计算来自一些天体物理来源的地球行星表面的辐射剂量。
2011-05-09 astro-ph.EP astro-ph.HE hep-ex
