Морським біологам з екологічної організації Condrik Tenerife вдалося зняти на відео зустріч із глибоководним чорним вудильником (Melanocetus johnsonii, морський чорт). Його помітили вдень на поверхні води, всього за два кілометри від узбережжя одного з островів Канарського архіпелагу Тенеріфе.

«Можливо, це перша у світі зареєстрована [на відео] зустріч живого дорослого морського чорта при денному світлі на поверхні води», —  зазначили фахівці.

Раніше в подібних умовах біологи спостерігали лише личинкові стадії вудильника або мертвих особин. Чому хижа риба була так близько до поверхні води, встановити не вдалося. Зазвичай вудильники живуть на глибині від півтора до трьох кілометрів.

Що станеться, якщо 500-метровий астероїд вріжеться в Землю? Вчені з Центру кліматичної фізики Інституту базових наук (IBS) змоделювали наслідки такого удару, розкривши драматичне занурення у «ударну зиму»: температура знизиться на 4°C, кількість опадів скоротиться на 15%, а виснаження озонового шару досягне 32%.

Результат? Глобальна продовольча криза через зниження наземного фотосинтезу до 30%. Але океан розповідає іншу історію—планктон, підживлений залізовмісним пилом астероїда, може активно розмножуватися, викликаючи масові цвітіння водоростей. Цей несподіваний морський бум може стати порятунком для біосфери. Чи могли подібні астероїдні удари вплинути на еволюцію людства? Майбутні дослідження мають на меті вивчити, як наші предки переживали такі катаклізми.

Удар астероїда: подія, що змінює клімат і життя

Недавнє кліматичне моделювання, опубліковане 5 лютого в Science Advances, проведене дослідниками з IBS в Пусанському національному університеті (Південна Корея), показує, як клімат і екосистеми Землі можуть відреагувати на зіткнення із середнього розміру астероїдом (~500 метрів). Сонячна система містить безліч навколоземних об’єктів, більшість із яких не становлять загрози. Проте деякі з них мають невеликий, але значущий шанс зіткнення із Землею. Один із таких об’єктів—астероїд Бенну, діаметром близько 500 метрів. Відповідно до дослідження 2021 року (Farnocchia et al.), ймовірність його зіткнення із Землею у вересні 2182 року становить 1 до 2700 — це приблизно як 11 разів поспіль підкинути монету й отримати однаковий результат.

Моделювання наслідків астероїдного удару

Щоб визначити потенційні наслідки зіткнення астероїда для клімату, наземних рослин та океанічного планктону, дослідники з IBS використали сучасну кліматичну модель. Вплив удару представлений у вигляді масового викиду сотень мільйонів тонн пилу у верхні шари атмосфери. На відміну від попередніх досліджень, ця робота також враховує реакцію наземних і морських екосистем, а також складні хімічні процеси в атмосфері.

Прогнози суперкомп’ютера: Земля занурюється в темряву і холод

За допомогою суперкомп’ютера Aleph, дослідники змоделювали кілька сценаріїв зіткнення з астероїдом типу Бенну. Відповідно до цих симуляцій, масові викиди пилу (100–400 млн тонн) призведуть до серйозних кліматичних потрясінь, змін у складі атмосфери та глобального фотосинтезу впродовж 3–4 років після удару. За найбільш інтенсивним сценарієм затемнення Сонця пилом спричинить глобальне зниження температури на 4°C, скорочення середньої кількості опадів на 15% і руйнування озонового шару на 32%. Проте в деяких регіонах ці наслідки будуть ще серйознішими.

«Раптова ударна зима створить несприятливі умови для росту рослин, що призведе до початкового зменшення фотосинтезу на 20–30% як у наземних, так і в морських екосистемах. Це, ймовірно, спричинить масові порушення у глобальній продовольчій безпеці», — зазначає доктор Лан Дай, провідний автор дослідження.

Несподіване відновлення океану

Аналізуючи дані моделювання океану, дослідники виявили щось несподіване: зростання планктону відбувалося за іншим сценарієм. Замість різкого зниження, як на суші, планктон у морі відновився вже за 6 місяців і навіть зріс до рівнів, яких не спостерігалося за нормальних кліматичних умов.

«Ми змогли простежити цю несподівану реакцію до концентрації заліза в пилу», — говорить професор Аксель Тіммерманн, директор ICCP і співавтор дослідження.

Залізо є ключовим елементом для росту водоростей, але у деяких регіонах, таких як Південний океан та східна частина тропічного Тихого океану, його природний рівень дуже низький. Залежно від вмісту заліза в астероїді та земному матеріалі, що потрапив у стратосферу після удару, ці бідні на поживні речовини регіони можуть раптово отримати потужний приплив біодоступного заліза, що спровокує безпрецедентне цвітіння водоростей. За даними комп’ютерних симуляцій, найбільше зростання морської продуктивності відбудеться серед кремнієвих водоростей (діатомових), які, своєю чергою, привернуть велику кількість зоопланктону—маленьких хижаків, що живляться цими водоростями.

Чи можуть цвітіння планктону врятувати екосистему?

«Симульовані надмірні цвітіння фітопланктону і зоопланктону можуть виявитися благом для біосфери і частково компенсувати продовольчу кризу, викликану зниженням наземної продуктивності», — додає доктор Лан Дай.

«У середньому, астероїди середнього розміру стикаються із Землею кожні 100–200 тисяч років. Це означає, що наші ранні предки могли пережити такі катастрофи, що, можливо, вплинуло на еволюцію людства і навіть наш генетичний код», — говорить професор Тіммерманн.

Погляд у минуле для розуміння майбутнього

Це дослідження відкриває нові перспективи у вивченні кліматичних та екологічних наслідків зіткнень із навколоземними астероїдами. Наступним кроком команда ICCP планує дослідити, як ранні люди могли адаптуватися до таких катастроф, використовуючи агентно-орієнтовані комп’ютерні моделі, що імітують поведінку окремих людей, їх життєвий цикл та пошуки їжі.

Змушені пробігати лабіринт атомів вуглецю, унікально розташованих у скручених стопках, електрони роблять деякі досить дивні речі. Дослідники з Університету Британської Колумбії в Канаді, Університету Вашингтона та Університету Джона Хопкінса в США, а також Національного інституту матеріалознавства в Японії нещодавно виявили дивний новий стан матерії в динаміці струмів, що протікають через шари графену. Отримані дані підтверджують прогнози щодо того, як повинні поводитися електрони, коли вони стиснуті в кристалічні структури, і можуть внести свіжі ідеї про те, як досягти надійних підходів до квантових обчислень або розкрити шляхи розвитку надпровідності кімнатної температури.

«Відправною точкою для цієї роботи є дві пластинки графену, які складаються з атомів вуглецю, розташованих у стільникову структуру», — каже старший автор дослідження Джошуа Фолк, фізик конденсованих систем з Університету Британської Колумбії. «Те, як електрони стрибають між атомами вуглецю, визначає електричні властивості графену, який зовні схожий на звичайні провідники, такі як мідь».

Протягом останніх десятиліть графен все частіше розглядається як щось на зразок дивовижного матеріалу, його решітка атомів вуглецю з’єднана таким чином, що залишає запасні електрони стрибати, як жетони в грі у квантові шашки.

Фізики постійно змінювали правила цієї гри, знаходячи нові та незвичайні способи змінити властивості опору або координації в екзотичні стани. З цих причин графен став ідеальним майданчиком для пошуку підказок щодо провідності з низьким опором або перевірки меж різних квантових ефектів. Одним із таких ефектів є «заморожування» електронів у обмежених положеннях, фактично перетворюючи їх із текучої рідкої маси на щось зі структурою. Ця фаза електронів, відома як кристал Вігнера, має характерні форми та поведінку, які дослідники вважали добре зрозумілими.

Під час цієї серії експериментів дослідники скрутили стопки одноатомних листів графену таким чином, щоб змусити незв’язані атоми вуглецю вирівнятися в тому, що описується як ефект муару (вимовляється як mwa-ray).

Ефект муару неважко знайти в нашому повсякденному світі. На купах сіток або екранів вони виглядають як повторювані лінії, кола або криві як контрасти темряви та світла, що утворюють сітчасте об’єднання або знищення. Тільки в цьому випадку контрастні структури в скрученому графені руйнують геометрію електрона або те, що називають топологією його ландшафту. Результатом є зміна швидкості електронів, при цьому деякі навіть розвивають скручування, коли вони рухаються вздовж країв матеріалу.

«Це призводить до парадоксальної поведінки топологічного електронного кристала, якого не було у звичайних кристалах Вігнера минулого — незважаючи на те, що кристал утворюється після заморожування електронів у впорядкований масив, він, з усім тим, може проводити електрику вздовж своїх меж», — говорить Фолк.

Саме в цій химерній новій сфері поведінки електронів виникають дивні дії, такі як квантування опору, відоме як квантовий ефект Холла.

Нові стани топологічної активності, подібні до цього, є потенційною золотою жилою для фізиків, які прагнуть дослідити способи створення квантових обчислювальних одиниць, відомих як кубіти, які є більш стійкими, ніж звичайні типи, засновані на фундаментальних частинках. Перетворення вузьких стосів графену в електронний еквівалент стрічки Мебіуса може бути лише початком. Вважається, що геометрія такого масштабу створює химерний зоопарк електронних квазічастинок із різновидами нової фізики. Це дослідження було опубліковано в Nature.