Wissenschaftler simulieren den Asteroidenkollisionseffekt auf Klima und Pflanzen

Eine neue Studie zur Klimamodellierung, die im Journal Science Advances von Forschern des IBS Center for Climate Physics (ICCP) der Pusan ​​National University in Südkorea veröffentlicht wurde Streik eines mittelgroßen Asteroiden (~ 500 m).

A new climate modeling study presents a scenario of how climate and life on our planet would change in response to a potential future strike of a medium-sized (~500 m) asteroid.

Eine neue Studie zur Klimamodellierung stellt ein Szenario dar, wie sich Klima und Leben auf unserem Planeten als Reaktion auf einen potenziellen zukünftigen Streik eines mittelgroßen Asteroidens (~ 500 m) ändern würden.

The solar system is full of objects with near-Earth orbits. Most of them do not pose any threat to Earth, but some of them have been identified as objects of interest with non-negligible collision probabilities. Among them is the asteroid Bennu with a diameter of about 500 m, which, according to recent studies, has an estimated chance of 1-in-2700 of colliding with Earth in September 2182. This is similar to the probability of flipping a coin 11 times in a row with the same outcome.

Das Sonnensystem ist voll von Objekten mit nahezu Erde umlaufbahnen. Die meisten von ihnen stellen keine Bedrohung für die Erde dar, aber einige von ihnen wurden als Interessenobjekte identifiziert, die mit nicht zu vernachlässigen Kollisionswahrscheinlichkeiten von Interesse sind. Unter ihnen ist der Asteroiden Bennu mit einem Durchmesser von etwa 500 m, was laut jüngsten Studien im September 2182 eine geschätzte Chance von 1-in-2700 Colliding mit Erde hat. Dies ähnelt der Wahrscheinlichkeit, eine Münze 11 umzudrehen 11 Zeiten in einer Reihe mit dem gleichen Ergebnis.

To determine the potential impacts of an asteroid strike on our climate system and on terrestrial plants and plankton in the ocean, researchers from the IBS Center for Climate Physics (ICCP) at Pusan National University in South Korea set out to simulate an idealized collision scenario with a medium-sized asteroid using a state-of-the-art climate model. The effect of the collision is represented by a massive injection of several hundred million tons of dust into the upper atmosphere. Unlike previous studies, the new research also simulates terrestrial and marine ecosystems, as well as the complex chemical reactions in the atmosphere.

Um die potenziellen Auswirkungen eines Asteroidenstreiks auf unser Klimasystem und auf terrestrische Pflanzen und Plankton im Ozean zu bestimmen Ein mittelgroßer Asteroid mit einem hochmodernen Klimamodell. Die Wirkung der Kollision wird durch eine massive Injektion von mehreren hundert Millionen Tonnen Staub in die obere Atmosphäre dargestellt. Im Gegensatz zu früheren Studien simuliert die neue Forschung auch terrestrische und marine Ökosysteme sowie die komplexen chemischen Reaktionen in der Atmosphäre.

Using the IBS supercomputer Aleph, the researchers ran several dust impact scenarios for a Bennu-type asteroid collision with Earth. In response to dust injections of 100–400 million tons, the supercomputer model simulations show dramatic disruptions in climate, atmospheric chemistry, and global photosynthesis in the 3–4 years following the impact (Figure 1).

Mit dem IBS-Supercomputer Aleph führten die Forscher mehrere Staub-Impact-Szenarien für eine Asteroiden-Kollision vom Bennu mit der Erde durch. Als Reaktion auf Staubinjektionen von 100 bis 400 Millionen Tonnen zeigen die Supercomputer -Modellsimulationen in den 3 bis 4 Jahren nach den Auswirkungen dramatische Störungen in Klima, atmosphärischer Chemie und globaler Photosynthese (Abbildung 1).

For the most intense scenario, solar dimming due to dust would cause global surface cooling of up to 4˚C, a reduction of global mean rainfall by 15%, and severe ozone depletion of about 32%. However, regionally, these impacts could be much pronounced.

Für das intensivste Szenario würde das Solardimmen aufgrund von Staub zu einer globalen Oberflächenkühlung von bis zu 4 ° C, zu einer Verringerung des globalen mittleren Niederschlags um 15%und einer schweren Ozonabbau von etwa 32%führen. Regional könnten diese Auswirkungen jedoch stark ausgeprägt sein.

“The abrupt impact winter would provide unfavorable climate conditions for plants to grow, leading to an initial 20–30% reduction of photosynthesis in terrestrial and marine ecosystems. This would likely cause massive disruptions in global food security,” says Dr. Lan Dai, postdoctoral research fellow at the ICCP and lead author of the study.

„Der abrupte Aufprallwinter würde für die Wachstum von Pflanzen ungünstige Klimabedingungen liefern, was zu einer anfänglichen Reduzierung der Photosynthese um 20 bis 30% in terrestrischen und marinen Ökosystemen führt. Dies würde wahrscheinlich massive Störungen in der globalen Ernährungssicherheit verursachen “, sagt Dr. Lan Dai, Postdoktorand -Forschungsergebnis bei der ICCP und führender Autor der Studie.

When the researchers looked into ocean model data from their simulations, they were surprised to find that plankton growth displayed a completely different behaviour. Instead of the rapid reduction and slow two-year-long recovery on land, plankton in the ocean recovered within 6 months and even increased afterwards to levels not even seen under normal climate conditions.

Als die Forscher sich mit Daten der Ozeanmodell aus ihren Simulationen befassten, waren sie überrascht, dass das Planktonwachstum ein völlig anderes Verhalten zeigte. Anstelle der schnellen Reduzierung und einer langsamen zweijährigen Erholung an Land erholte sich Plankton im Ozean innerhalb von 6 Monaten und stieg danach sogar auf Niveau an, die unter normalen Klimabedingungen nicht einmal beobachtet wurden.

“We were able to track this unexpected response to the iron concentration in the dust,” says Prof. Axel Timmermann, Director of the ICCP and co-author of the study. Iron is a key nutrient for algae, but in some areas, such as the Southern Ocean and the eastern tropical Pacific, its natural abundance is very low.

„Wir konnten diese unerwartete Reaktion auf die Eisenkonzentration im Staub verfolgen“, sagt Prof. Axel Timmermann, Direktor des ICCP und Co-Autor der Studie. Eisen ist ein wichtiger Nährstoff für Algen, aber in einigen Gebieten wie im Südlichen Ozean und im östlichen tropischen Pazifik ist seine natürliche Häufigkeit sehr niedrig.

Depending on the iron content of the asteroid and of the terrestrial material, that is blasted into the stratosphere, the otherwise nutrient-depleted regions can become nutrient-enriched with bioavailable iron, which in turn triggers unprecedented algae blooms. According to the computer simulations, the post-collision increase of marine productivity would be most pronounced for silicate-rich algae—referred to as diatoms. Their blooms would also attract large amounts of zooplankton—small predators, which feed on the diatoms.

Abhängig vom Eisengehalt des Asteroiden und des terrestrischen Materials, das in die Stratosphäre gesprengt wird, können die ansonsten nährstoffarmen Regionen mit bioverfügbarem Eisen zu nährstoffreichem Anreiz werden, was wiederum beispiellosen Algenblühen auslöst. Laut den Computersimulationen würde die Erhöhung der Meeresproduktivität nach der Kollision für Silikatalgen am stärksten ausgeprägt sein-als Kieselalgen. Ihre Blüten würden auch große Mengen an Zooplankton anziehen - schwierige Raubtiere, die sich von den Kieselalgen ernähren.

“The simulated excessive phytoplankton and zooplankton blooms might be a blessing for the biosphere and may help alleviate emerging food insecurity related to the longer-lasting reduction in terrestrial productivity,” adds Dr. Lan Dai.

"Die simulierten übermäßigen Phytoplankton- und Zooplanktonblüten könnten ein Segen für die Biosphäre sein und dazu beitragen, aufstrebende Nahrungsmittelunsicherheit im Zusammenhang mit der länger anhaltenden Verringerung der terrestrischen Produktivität zu lindern", fügt Dr. Lan Dai hinzu.

“On average, medium-sized asteroids collide with Earth about every 100–200 thousand years. This means that our early human ancestors may have experienced some of these planet-shifting events before with potential impacts on human evolution and even our own genetic makeup,” says Prof. Timmermann.

„Im Durchschnitt kollidieren mittelgroße Asteroiden mit der Erde etwa 100 bis 200.000 Jahre. Dies bedeutet, dass unsere frühen menschlichen Vorfahren zuvor einige dieser Planetenverschiebungsereignisse erlebt haben, die potenzielle Auswirkungen auf die menschliche Evolution und sogar unser eigenes genetisches Make-up haben “, sagt Prof. Timmermann.

The new study in Science Advances provides new insights into the climatic and biospheric responses to collisions with near-Earth orbit objects. In the next step the ICCP researchers from South Korea plan to study early human responses to such events in more detail by using agent-based computer models, which simulate individual humans, their life cycles and their search for food.

Die neue Studie in Science Advances liefert neue Einblicke in die klimatischen und biosphärischen Reaktionen auf Kollisionen mit nahezu Erdbitobjekten. Im nächsten Schritt planen die ICCP-Forscher aus Südkorea, frühe menschliche Reaktionen auf solche Ereignisse detaillierter zu untersuchen, indem agentenbasierte Computermodelle verwendet werden, die einzelne Menschen, ihre Lebenszyklen und ihre Suche nach Nahrung simulieren.