Парадокс слабого молодого Солнца или проблема слабого молодого Солнца описывает кажущееся противоречие между наблюдениями жидкой воды в раннюю историю Земли и астрофизическими ожиданиями того, что излучение Солнца в ту эпоху будет составлять всего 70 процентов от его текущего излучения. [1] Парадокс заключается в следующем: при излучении молодого Солнца, составляющем всего 70 процентов от его текущего излучения, можно было бы ожидать, что ранняя Земля будет полностью замерзшей, но на ранней Земле, по-видимому, была жидкая вода [2] и поддерживалась жизнь. [3]
Этот вопрос был поднят астрономами Карлом Саганом и Джорджем Малленом в 1972 году. [4] Предложенные решения этого парадокса учитывали парниковые эффекты , изменения планетарного альбедо , астрофизические влияния или комбинации этих предположений. Преобладающая теория заключается в том, что парниковый газ углекислый газ внес наибольший вклад в потепление Земли. [5]
Модели звездной структуры , особенно стандартная солнечная модель [7], предсказывают увеличение яркости Солнца. Увеличение яркости вызвано уменьшением числа частиц на единицу массы из-за ядерного синтеза в ядре Солнца, с четырех протонов и электронов каждый до одного ядра гелия и двух электронов. Меньшее количество частиц будет оказывать меньшее давление. Коллапс под действием огромной гравитации предотвращается повышением температуры, что является как причиной, так и следствием более высокой скорости ядерного синтеза .
Более поздние исследования моделирования показали, что в настоящее время Солнце в 1,4 раза ярче, чем 4,6 миллиарда лет назад (Ga), и что яркость значительно ускорилась. [8] На поверхности Солнца большая мощность термоядерного синтеза означает более высокую солнечную светимость (за счет небольшого увеличения температуры и радиуса), что на Земле называется радиационным воздействием .
Саган и Маллен предположили во время своих описаний парадокса, что он может быть решен с помощью высоких концентраций аммиачного газа, NH 3 . [4] Однако с тех пор было показано, что, хотя аммиак является эффективным парниковым газом, он легко фотохимически разрушается в атмосфере и превращается в азот (N 2 ) и водород (H 2 ). [9] Было высказано предположение (опять же Саганом), что фотохимическая дымка могла бы предотвратить это разрушение аммиака и позволить ему продолжать действовать как парниковый газ в течение этого времени; [10] однако к 2001 году эта идея была проверена с использованием фотохимической модели и отклонена. [11] Более того, считается, что такая дымка охладила поверхность Земли под ней и противодействовала парниковому эффекту. [11] Около 2010 года ученые из Университета Колорадо возродили эту идею, утверждая, что гипотеза аммиака является жизнеспособным фактором, если дымка сформировала фрактальный узор. [12] [13]
В настоящее время считается, что углекислый газ присутствовал в более высоких концентрациях в этот период более низкого солнечного излучения. Впервые это было предложено и проверено как часть эволюции атмосферы Земли в конце 1970-х годов. Было обнаружено, что атмосфера, которая содержала примерно в 1000 раз больше нынешнего атмосферного уровня (или PAL), соответствует эволюционному пути углеродного цикла Земли и солнечной эволюции. [14] [15] [16]
Основным механизмом достижения таких высоких концентраций CO 2 является углеродный цикл. В больших временных масштабах неорганическая ветвь углеродного цикла, известная как карбонатно-силикатный цикл, отвечает за распределение CO 2 между атмосферой и поверхностью Земли. В частности, в период низких температур поверхности скорость выпадения осадков и выветривания будет снижена, что позволит накапливать углекислый газ в атмосфере в масштабах времени 0,5 миллиона лет. [17]
В частности, используя одномерные модели, которые представляют Землю как одну точку (а не как нечто, изменяющееся в трех измерениях), ученые определили, что при возрасте 4,5 млрд лет, при яркости Солнца на 30% ниже, для поддержания температуры поверхности выше точки замерзания требуется минимальное парциальное давление CO2 в 0,1 бар; в качестве вероятного верхнего предела предлагается 10 бар CO2 . [ 15 ] [18]
Количество уровней углекислого газа все еще обсуждается. В 2001 году Слип и Занле предположили, что повышенное выветривание на морском дне на молодой, тектонически активной Земле могло снизить уровень углекислого газа. [19] Затем в 2010 году Розинг и др. проанализировали морские отложения, называемые полосчатыми железистыми образованиями , и обнаружили большое количество различных богатых железом минералов, включая магнетит (Fe 3 O 4 ), окисленный минерал наряду с сидеритом (FeCO 3 ), восстановленным минералом, и увидели, что они образовались в течение первой половины истории Земли (а не позже). Относительное сосуществование минералов предполагает аналогичный баланс между CO 2 и H 2 . В своем анализе Розинг и др. связали концентрацию H 2 в атмосфере с регулированием посредством биотического метаногенеза . Анаэробные одноклеточные организмы, которые производили метан (CH 4 ), могли, таким образом, способствовать потеплению в дополнение к углекислому газу. [20] [21]
Первоначально Луна была намного ближе к Земле, которая вращалась быстрее, чем сегодня, что приводило к большему приливному нагреву, чем сейчас. Первоначальные оценки показали, что даже ранний приливной нагрев был бы минимальным, возможно, 0,02 Вт на квадратный метр. (Для сравнения, солнечная энергия, падающая на атмосферу Земли, составляет порядка 1000 Вт на квадратный метр.)
Однако около 2021 года группа под руководством Рене Хеллера в Германии утверждала, что такие оценки были упрощенными и что в некоторых правдоподобных моделях приливное нагревание могло бы внести вклад порядка 10 Вт на квадратный метр и увеличить равновесную температуру до пяти градусов по Цельсию в масштабе времени 100 миллионов лет. Такой вклад частично разрешил бы парадокс, но недостаточен для решения слабого молодого парадокса сам по себе без дополнительных факторов, таких как парниковое нагревание. [22] Однако основное предположение о формировании Луны сразу за пределом Роша не является определенным: намагниченный диск мусора мог перенести угловой момент, что привело к образованию менее массивной Луны на более высокой орбите. [23]
Меньшинство мнений, выдвинутых израильско-американским физиком Ниром Шавивом, использует климатологические влияния солнечного ветра в сочетании с гипотезой датского физика Хенрика Свенсмарка об охлаждающем эффекте космических лучей . [24] По мнению Шавива, раннее Солнце испускало более сильный солнечный ветер, который создавал защитный эффект от космических лучей. В ту раннюю эпоху умеренного парникового эффекта, сопоставимого с сегодняшним, было бы достаточно, чтобы объяснить в значительной степени свободную ото льда Землю. Доказательства более активного раннего Солнца были обнаружены в метеоритах . [25]
Минимум температуры около 2,4 млрд лет назад сопровождается модуляцией потока космических лучей переменной скоростью звездообразования в Млечном Пути . Уменьшенное солнечное воздействие впоследствии приводит к более сильному воздействию потока космических лучей, что, как предполагается, приводит к связи с климатологическими изменениями.
Несколько раз предполагалось, что потеря массы слабым молодым Солнцем в виде более сильных солнечных ветров могла бы компенсировать низкие температуры из-за воздействия парниковых газов. [26] В этой структуре раннее Солнце пережило длительный период более высокого выхода солнечного ветра. На основании экзопланетных данных это вызвало потерю массы Солнцем на 5-6 процентов за его жизнь, [27] что привело к более постоянному уровню солнечной светимости (поскольку раннее Солнце имело большую массу, что приводило к большему выходу энергии, чем предсказывалось).
Для того чтобы объяснить теплые условия в архейском эоне, эта потеря массы должна была произойти в течение интервала около одного миллиарда лет. Записи ионной имплантации из метеоритов и лунных образцов показывают, что повышенная скорость потока солнечного ветра продолжалась только в течение периода в 100 миллионов лет. Наблюдения за молодой звездой, похожей на Солнце, π 1 Большой Медведицы соответствуют этой скорости снижения выхода звездного ветра, предполагая, что более высокая скорость потери массы не может сама по себе разрешить парадокс. [28] [29] [30]
Если бы концентрации парниковых газов не компенсировали полностью более слабое Солнце, умеренный температурный диапазон можно было бы объяснить более низким альбедо поверхности . В то время меньшая площадь открытой континентальной суши привела бы к меньшему количеству ядер конденсации облаков как в виде переносимой ветром пыли, так и биогенных источников. Более низкое альбедо позволяет более высокой доле солнечного излучения проникать на поверхность. Голдблатт и Занле (2011) исследовали, могло ли изменение доли облаков быть достаточно теплым, и обнаружили, что чистый эффект с одинаковой вероятностью мог быть как отрицательным, так и положительным. В лучшем случае эффект мог повысить температуру поверхности до уровня чуть выше нуля в среднем. [31]
Другой предложенный механизм уменьшения облачного покрова связывает уменьшение космических лучей в это время с уменьшением доли облаков. [32] Однако этот механизм не работает по нескольким причинам, включая тот факт, что ионы не ограничивают образование облаков в такой степени, как ядра конденсации облаков, а космические лучи, как было обнаружено, оказывают незначительное влияние на глобальную среднюю температуру. [33] Облака продолжают оставаться основным источником неопределенности в трехмерных моделях глобального климата , и пока еще не достигнут консенсус относительно того, как изменения в пространственных структурах облаков и типе облаков могли повлиять на климат Земли в это время. [34]
Хотя и моделирование, и прямые измерения эффектов закона Хаббла в гравитационно-связанных системах по состоянию на 2022 год дают неубедительные результаты [35] , было отмечено, что орбитальное расширение с долей локальной скорости расширения Хаббла может объяснить наблюдаемые аномалии в орбитальной эволюции, включая слабый парадокс молодого Солнца. [36]
Гипотеза Геи утверждает, что биологические процессы работают для поддержания стабильного поверхностного климата на Земле, чтобы поддерживать обитаемость посредством различных механизмов отрицательной обратной связи. В то время как органические процессы, такие как цикл органического углерода, работают для регулирования резких изменений климата, и что поверхность Земли предположительно оставалась пригодной для жизни, эта гипотеза была подвергнута критике как неразрешимая. Более того, жизнь существовала на поверхности Земли во время резких изменений климата, включая эпизоды Snowball Earth . Существуют также сильные и слабые версии гипотезы Геи, что вызвало некоторую напряженность в этой области исследований. [34]
У Марса есть своя версия парадокса слабого молодого Солнца. Марсианские ландшафты демонстрируют явные признаки прошлой жидкой воды на поверхности, включая каналы оттока, овраги, измененные кратеры и сети долин. Эти геоморфологические особенности предполагают, что на Марсе был океан на поверхности и речные сети, которые напоминали современные земные в конце Нойского периода (4,1–3,7 млрд лет). [37] [38] Неясно, как орбитальная схема Марса, которая помещает его еще дальше от Солнца, и слабое молодое Солнце могли создать то, что, как считается, было очень теплым и влажным климатом на Марсе. [39] Ученые спорят о том, какие геоморфологические особенности можно отнести к береговым линиям или другим маркерам потока воды, а какие можно приписать другим механизмам. [34] Тем не менее, геологические свидетельства, включая наблюдения за широко распространенной речной эрозией в южных высокогорьях, в целом согласуются с ранним теплым и полузасушливым климатом. [40]
Учитывая орбитальные и солнечные условия раннего Марса, парниковый эффект был бы необходим для повышения температуры поверхности по крайней мере на 65 К для того, чтобы эти поверхностные особенности были вырезаны текущей водой. [39] [40] Гораздо более плотная атмосфера с преобладанием CO 2 была предложена как способ вызвать такое повышение температуры. Это будет зависеть от углеродного цикла и скорости вулканизма в течение донойского и нойского периодов, что не очень хорошо известно. Считается, что в эти периоды происходило выделение летучих газов. [39]
Один из способов выяснить, обладал ли Марс толстой атмосферой, богатой CO 2 , — это изучить карбонатные отложения. Основным стоком углерода в атмосфере Земли является карбонатно-силикатный цикл . Однако CO 2 было бы трудно накопить в марсианской атмосфере таким образом, поскольку парниковый эффект был бы превзойден конденсацией CO 2 . [41]
Вулканически-выброшенный парник CO 2 -H 2 является правдоподобным сценарием, недавно предложенным для раннего Марса. [42] Прерывистые выбросы метана могли быть другой возможностью. Такие комбинации парниковых газов кажутся необходимыми, поскольку один только диоксид углерода, даже при давлении, превышающем несколько бар, не может объяснить температуры, необходимые для наличия жидкой воды на поверхности раннего Марса. [43] [40]
Атмосфера Венеры на 96% состоит из углекислого газа. Миллиарды лет назад, когда Солнце было на 25–30% тусклее, температура поверхности Венеры могла быть намного ниже, а ее климат мог напоминать современный земной, с полным гидрологическим циклом — до того, как она испытала неконтролируемый парниковый эффект . [44]