Что такое парадокс молодого Солнца?
Некоторые дети (и даже взрослые) думают, что современная наука достигла ну просто потрясающих высот и «знает решительно всё-всё-всё». Однако на самом деле это не так – в мире, окружающем нас, полным-полно загадок и вопросов, на которые наука (если честно!) точных ответов не знает. Один из таких головоломных вопросов, внутри которого «столкнулись» между собой сразу четыре науки (геология, биология, астрономия и физика) – это так называемый «парадокс молодого Солнца».
Что такое «парадокс»?
Парадоксом часто называют явление, которое не удаётся объяснить с точки зрения логики. Например, с древних времён известен «парадокс кучи». Скажем, нам стало известно, что на день рождения Вася съел «целую кучу конфет». Одна конфета – это, конечно же, не «куча». Две – тоже нет. Три? Нет. Четыре? Пять? Сколько именно конфет должно быть, чтобы получилась «целая куча»? Никто не знает…
А что, Солнце было молодым?
Наблюдая за разными звёздами (а наше Солнце – это обыкновенная звезда, «жёлтый карлик спектрального класса G2»), астрономы пришли к выводу, что звёзды не вечны, они рождаются и умирают, в точности, как и всё остальное во Вселенной. По расчётам учёных, нашему солнышку сейчас около 4 с половиной миллиардов лет.
Но откуда учёные про это узнали?
Для этого ими была создана подробная строения самых разных звёзд; данные, полученные с помощью формул, учёные очень тщательно сравнили с теми звёздами, которые мы можем реально наблюдать в телескопы. По этим формулам и была получена цифра в 4.5 миллиарда лет для Солнца.
А в чём тогда проблема?
Проблема заключается в том, что, по созданной учёными модели строения звёзд, наше Солнце должно становиться всё ярче и ярче: за каждый миллиард лет его яркость излучения растёт приблизительно на 10%. Тогда получается, что давным-давно, когда Солнце было «маленьким», его яркость была меньше современной приблизительно на треть, то есть оно светило и грело намного слабее, чем в наши дни. Получив такой ответ, физики нисколько не удивились – ну, слабее и слабее, что с того?
Но тут в спор вступили другие учёные – а именно геологи и биологи. Дело в том, что на Земле сохранились горные породы, сформировавшиеся в те далёкие времена. А современная геология – наука ничуть не менее серьёзная, чем физика, и геолог может очень даже хорошо сказать, при каких условиях образовался тот или иной кусок камня. Обнаруженные осадочные породы архейского времени (возрастом 3.8 миллиарда лет) чётко показывают: на Земле тогда был влажный и тёплый климат, причём в это время уже существовала жизнь!
Вот тебе и на…
Итак, данные физики совершенно неожиданно вступили в противоречие с данными геологии и биологии! Получалась самая настоящая детективная история. Если верить физикам, то 4 миллиарда лет назад Солнце светило и грело намного слабее, и наша Земля должна была быть насквозь «промороженной» (со средней температурой минус 50 градусов), почти как современный Марс! А по данным геологов на Земле было вполне себе тепло, на поверхности существовала жидкая вода (а не твёрдый лёд), необходимая для возникновения жизни…
В разгоревшийся спор неожиданно вмешались астрономы (планетологи). Последние данные, полученные с исследовательских автоматических аппаратов, показывают, что 3 миллиарда лет назад океаны из воды (жидкой воды!) существовали всё на том же самом Марсе! Согласитесь, есть от чего ухватиться за голову – в наши дни на Марсе царит лютый мороз (до минус 140 градусов), и жидкой воды там нет ни единой капли. А 3 миллиарда лет назад, когда Солнце было «маленьким и слабеньким»? Марс и вовсе должен был промёрзнуть насквозь! А там вдруг океаны… Чертовщина какая-то…
И как же это объяснить?
Надо отдать должное учёным – они много раз пытались «вывернуться» из этой загадочной истории. Однако «парадокс слабого молодого Солнца» оказался твёрдым орешком…
Первое объяснение, выдвинутое учёными, было таким: Земля в те годы была ещё совсем-совсем молодая, поверхность у неё была залита раскалённой лавой и усыпана вулканами. Однако у этого объяснения есть большой недостаток: в таких условиях вода не смогла бы образовать первичный океан на поверхности нашей планеты! Она бы просто выкипела, как из кастрюльки, которую нечаянно позабыли на газовой плите… Само собой, никакой жизни при таком раскладе возникнуть не могло.
Второе объяснение, придуманное учёными, вот какое: 4 миллиарда лет назад у нашей планеты была совсем другая атмосфера – толстая и плотная, из углекислоты, метана и аммиака. Как огромное одеяло, она «сохраняла тепло» и обеспечивала «правильную» температуру. Потом эта атмосфера постепенно сменилась на привычную нам кислородно-азотную, стала тоньше, а Солнце, наоборот, стало светить ярче… Теория интересная – но и она «не без изъяна». Слишком уж маловероятно «случайное» совпадение двух совершенно разных вещей: получается, что нагрев Солнца просто идеально совпал со сменой состава атмосферы на Земле – так, чтобы средняя температура на поверхности оставалась неизменной…
«А почему мы решили, что Земля 4 миллиарда лет назад была на таком же расстоянии от Солнца, как сейчас?» – подумали учёные. Что ж, возможен и такой вариант – в конце концов, тщательные измерения показывают, что наша Луна когда-то очень давно была намного ближе к Земле, что она «удаляется» от нас, медленно (миллиметры в год) но верно. Может быть, миллиарды лет назад орбита Земли была ближе к Солнцу? Например, там, где сейчас орбита Венеры? Однако и у этой теории есть многочисленные недостатки… А где же тогда был Марс? Там, где сейчас Земля – или ещё ближе к Солнцу? Океан на Марсе тоже как-то надо объяснить…
В древней Греции Геей называли богиню земли. Согласно смелой и неожиданной «гипотезе Геи» наша планета – это огромный единый «супер-организм», в котором всё живое (вы тоже!) и неживое образует сложную систему, которая способна саморегулироваться, изменять условия таким образом, чтобы создавать самой себе наиболее благоприятный режим. Жизнь, существовавшая на Земле изначально, сама регулировала (и регулирует до сих пор!) температуру планеты, состав её атмосферы и так далее. Гипотеза очень красивая и интересная, но насколько она правдоподобна? И снова – эта теория только про Землю, а что там с исчезнувшими океанами на Марсе?
В первый миллиард лет существования нашей планеты в космосе летало огромное количество «остатков строительного материала», то есть попросту камней самого разного размера – от пылинок до гигантских глыб величиной с целый город и даже больше. Посмотрите на поверхность Луны – да она вся просто усеяна огромными кратерами от столкновений с метеоритами! А при ударе метеорита о поверхность происходит взрыв, выделяется очень много тепла… Короче говоря, метеориты постоянно падали на поверхность молодой Земли и не давали ей остыть… Любопытная теория, но как же в таком аду, где всё постоянно летает и взрывается, смогла возникнуть жизнь? Да и интенсивная «бомбардировка» молодых планет метеоритами, как показывают астрономические наблюдения, окончилась задолго до того момента, как Солнце нагрелось до нужной температуры…
Ещё одно возможное объяснение – несовершенство нашей теории строения звёзд. Возможно ли, что физики ошибаются, и яркость звезды с её возрастом? Что наше Солнце 4 миллиарда лет назад было таким же ярким и горячим, как сегодня? Однако физики только разводят руками – дескать, «наши расчёты миллион раз проверены и перепроверены, они подтверждаются тысячами наблюдений звёзд разного возраста в телескопы…».
Источник
Парадокс слабого молодого Солнца — Faint young Sun paradox
Слабый молодой ВС парадокс или слабый молодые проблемы Sun описывает очевидное противоречие между наблюдениями жидкой воды рано в истории Земли и астрофизическом ожидании того, что ВС выходной «s был бы только 70 процентов , как интенсивно в той эпохе , как это в современной эпохе . Парадокс заключается в следующем: при выходе молодого Солнца только на 70 процентов от его нынешней мощности можно было бы ожидать, что ранняя Земля полностью замерзнет, но на ранней Земле, похоже, была жидкая вода.
Этот вопрос был поднят астрономами Карлом Саганом и Джорджем Малленом в 1972 году. Предлагаемые решения этого парадокса учитывали парниковые эффекты , изменения планетарного альбедо , астрофизические влияния или комбинации этих предположений.
Неразрешенный вопрос заключается в том, как климат, пригодный для жизни, поддерживался на Земле в течение длительного времени, несмотря на переменную солнечную энергию и широкий диапазон земных условий.
СОДЕРЖАНИЕ
Солнечная эволюция
В начале истории Земли , в Sun выход «S был бы только 70 процентов так интенсивно , как это в современной эпохе, благодаря более высокому отношению водорода в гелий в его ядре. С тех пор Солнце постепенно становилось ярче и, следовательно, нагревали поверхность Земли — процесс, известный как радиационное воздействие . В эпоху архея, предполагая постоянное альбедо и другие особенности поверхности, такие как парниковые газы, равновесная температура Земли была бы слишком низкой для поддержания жидкого океана. Астрономы Карл Саган и Джордж Маллен указали в 1972 году, что это противоречит геологическим и палеонтологическим данным.
Солнце питается за счет ядерного синтеза , который для Солнца можно представить следующим образом:
^<4>He + 2e+ + 2\nu>>>»> 4 1 ЧАС ⟶ Он 4 + 2 е + + 2 ν <\ displaystyle <\ ce <4 ^ <1>H -> ^ <4>He + 2e + + 2 \ nu>>> 
^ <4>He + 2e + + 2 \ nu>>>»> ^<4>He + e+ + 2\nu>>>»> 4 1 ЧАС + е — ⟶ Он 4 + е + + 2 ν <\ displaystyle <\ ce <4 ^ <1>H + e- -> ^ <4>He + e + + 2 \ nu>>> ^ <4>He + e + + 2 \ nu>>>»>
В приведенных выше уравнениях e + представляет собой позитрон, e — представляет собой электрон, а ν представляет собой нейтрино (почти безмассовое). В результате получается тройной эффект: выделение энергии по формуле Эйнштейна ΔE = mc 2 (поскольку ядро гелия менее массивно, чем ядра водорода), увеличение плотности солнечного ядра (поскольку конечный продукт содержится в одно ядро, а не между четырьмя разными протонами) и увеличение скорости синтеза (поскольку более высокие температуры помогают увеличить скорость столкновения между четырьмя протонами и повышают вероятность того, что такие реакции имеют место). Чистый эффект — связанное с этим увеличение солнечной яркости . Более поздние исследования в области моделирования показали, что Солнце в настоящее время в 1,4 раза ярче, чем было 4,6 миллиарда лет назад (млрд лет назад), и что с тех пор оно примерно линейно увеличивалось со временем, хотя и немного ускорилось.
Несмотря на пониженную яркость Солнца 4 миллиарда (4 × 10 9 ) лет назад и с парниковыми газами , геологические данные показывают постоянно относительно теплую поверхность во всех ранних температурных записях Земли, за исключением холодной фазы, гуронского оледенения , примерно 2,4–2,1 миллиарда лет назад. Отложения, связанные с водой, были обнаружены еще 3,8 миллиарда лет назад. Эта взаимосвязь между температурой поверхности и балансом механизмов воздействия влияет на то, как ученые понимают эволюцию ранних форм жизни, возраст которых насчитывает 3,5 миллиарда лет.
Решения по парниковым газам
Аммиак как парниковый газ
Саган и Маллен даже предположили во время описания парадокса, что его можно решить с помощью высоких концентраций газообразного аммиака NH 3 . Однако с тех пор было показано, что, хотя аммиак является эффективным парниковым газом, он легко фотохимически разрушается в атмосфере и превращается в газы азота (N 2 ) и водорода (H 2 ). Было высказано предположение (опять же Саганом), что фотохимическая дымка могла предотвратить это разрушение аммиака и позволить ему продолжать действовать как парниковый газ в течение этого времени, однако эта идея позже была проверена с использованием фотохимической модели и отвергнута. Кроме того, считается, что такая дымка охладила находящуюся под ней поверхность Земли и нейтрализовала парниковый эффект.
Углекислый газ как парниковый газ
Сейчас считается, что углекислый газ присутствовал в более высоких концентрациях в этот период более низкой солнечной радиации. Впервые он был предложен и испытан в рамках эволюции атмосферы Земли в конце 70-х годов. Было обнаружено, что атмосфера, которая содержит примерно в 1000 раз превышающий текущий атмосферный уровень (или PAL), соответствует эволюционному пути углеродного цикла Земли и солнечной эволюции.
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, во время низких температур поверхности, количество осадков и интенсивность выветривания будут уменьшены, что приведет к накоплению углекислого газа в атмосфере в масштабе времени 0,5 миллиона лет (млн. Лет).
В частности, используя одномерные модели, которые представляют Землю как единую точку (вместо чего-то, что варьируется в трех измерениях), ученые определили, что при 4,5 млрд. Лет назад при 30% -ном тусклом Солнце минимальное парциальное давление СО2 составляет 0,1 бар. 2 требуется для поддержания температуры поверхности выше точки замерзания. Максимум 10 бар CO 2 был предложен в качестве правдоподобного верхнего предела.
Однако точное количество уровней углекислого газа все еще обсуждается. В 2001 году Слип и Занле предположили, что усиление выветривания на морском дне молодой, тектонически активной Земли могло привести к снижению уровня углекислого газа. Затем в 2010 году Розинг и др. проанализировали морские отложения, называемые полосчатыми железными образованиями (BIF) , и обнаружили большое количество различных богатых железом минералов, включая магнетит (Fe 3 O 4 ), окисленный минерал наряду с сидеритом (FeCO 3 ), восстановленный минерал, и выяснили , что они образовались во время первая половина истории Земли (а не после). Относительное сосуществование минералов предполагает аналогичный баланс между CO 2 и H 2 . В ходе анализа Розинг и др. связали атмосферные концентрации H 2 с регулированием биотического метаногенеза . Анаэробные одноклеточные организмы, вырабатывающие метан (CH 4 ), могли внести свой вклад в потепление в дополнение к диоксиду углерода.
Другие предлагаемые объяснения
Мнение меньшинства, выдвинутое израильско-американским физиком Ниром Шавивом , использует климатологические влияния солнечного ветра в сочетании с гипотезой датского физика Хенрика Свенсмарка об охлаждающем эффекте космических лучей , чтобы объяснить парадокс. По словам Шавива, раннее Солнце излучало более сильный солнечный ветер, который создавал защитный эффект от космических лучей. В том раннем возрасте умеренного парникового эффекта, сопоставимого с сегодняшним, было бы достаточно, чтобы объяснить, что Земля свободна ото льда. Доказательства более активного раннего Солнца были обнаружены в метеоритах .
Минимум температуры около 2,4 миллиарда лет сопровождается модуляцией потока космических лучей из-за переменной скорости звездообразования в Млечном Пути . Уменьшение солнечного воздействия позже приводит к более сильному влиянию потока космических лучей (CRF), что, как предполагается, приводит к взаимосвязи с климатологическими вариациями.
Потеря массы от Солнца
Несколько раз высказывалось предположение, что потеря массы слабым молодым Солнцем в виде более сильных солнечных ветров могла бы компенсировать низкие температуры из-за воздействия парниковых газов. С этой точки зрения, раннее Солнце пережило длительный период более высокой выработки солнечного ветра. Это вызвало потерю массы Солнцем порядка 5-10 процентов за время его жизни, что привело к более стабильному уровню солнечной светимости (поскольку раннее Солнце имело большую массу, что приводило к большему выходу энергии, чем прогнозировалось). Чтобы объяснить теплые условия в архейскую эпоху, эта потеря массы должна была произойти за интервал около одного миллиарда лет. Записи об имплантации ионов из метеоритов и лунных образцов показывают, что повышенная скорость потока солнечного ветра длилась всего 0,1 миллиарда лет. Наблюдения за молодой звездой π 1 Большой Медведицы, похожей на Солнце, соответствуют этой скорости снижения мощности звездного ветра, предполагая, что более высокая скорость потери массы сама по себе не может разрешить парадокс.
Изменения в облаках
Если концентрации парниковых газов не компенсировали полностью более слабое солнце, умеренный диапазон температур можно объяснить более низким альбедо поверхности . В то время меньшая площадь обнаженной континентальной суши привела бы к меньшему количеству ядер конденсации облаков как в виде переносимой ветром пыли, так и в виде биогенных источников. Более низкое альбедо позволяет большей части солнечной радиации проникать на поверхность. Goldblatt и Zahnle (2011) исследовали, могло ли изменение доли облачности привести к достаточному потеплению, и обнаружили, что чистый эффект с одинаковой вероятностью был как положительным, так и отрицательным. В лучшем случае этот эффект мог привести к повышению температуры поверхности в среднем чуть выше нуля.
Другой предложенный механизм уменьшения облачного покрова связывает уменьшение космических лучей в это время с уменьшением доли облачности. Однако этот механизм не работает по нескольким причинам, включая тот факт, что ионы не так сильно ограничивают образование облаков, как CCN, и было обнаружено, что космические лучи мало влияют на среднюю глобальную температуру.
Облака по-прежнему являются основным источником неопределенности в трехмерных глобальных климатических моделях , и еще предстоит достичь консенсуса относительно того, как именно изменения в пространственных структурах облаков и типах облаков могли повлиять на климат Земли в это время.
Гипотеза Гайи
Гипотеза Гайи утверждает, что биологические процессы работают, чтобы поддерживать стабильный поверхностный климат на Земле, чтобы поддерживать обитаемость с помощью различных механизмов отрицательной обратной связи. Хотя органические процессы, такие как круговорот органического углерода, регулируют драматические изменения климата и что поверхность Земли, по-видимому, остается обитаемой, эту гипотезу критикуют как трудноразрешимую. Кроме того, жизнь существовала на поверхности Земли в результате драматических изменений климата, включая эпизоды « Снежный ком на Земле» . Существуют также сильные и слабые версии гипотезы Гайи, которые вызвали некоторую напряженность в этой области исследований.
На других планетах
У Марса есть своя версия парадокса слабого молодого Солнца. Марсианские ландшафты демонстрируют явные признаки прошлой жидкой воды на поверхности, включая каналы оттока, овраги, модифицированные кратеры и сети долин. Эти геоморфологические особенности предполагают Марс был океан на своей поверхности и речных сетей , которые напоминают ток Земли в конце Noachian (4.1-3.7 Ga). Неясно, как орбитальная структура Марса, которая помещает его еще дальше от Солнца, и слабость молодого Солнца могли создать на Марсе очень теплый и влажный климат. Ученые спорят о том, какие геоморфологические особенности можно отнести к береговой линии или другим указателям водного потока, а какие — к другим механизмам. Тем не менее, геологические свидетельства, в том числе наблюдения широко распространенной речной эрозии в южных высокогорьях, в целом согласуются с ранним теплым и полузасушливым климатом.
Учитывая орбитальные и солнечные условия раннего Марса, парниковый эффект был бы необходим для повышения температуры поверхности по крайней мере на 65 К, чтобы эти поверхностные элементы были вырезаны текущей водой. В качестве способа повышения температуры была предложена более плотная атмосфера, в которой преобладает CO 2 . Это будет зависеть от углеродного цикла и скорости вулканизма на протяжении до Ноя и Ноя, что малоизвестно. Считается, что в эти периоды происходило летучее газовыделение.
Один из способов выяснить, есть ли на Марсе плотная атмосфера, богатая CO 2, — это посмотреть на карбонатные отложения. Основным поглотителем углерода в атмосфере Земли является карбонатно-силикатный цикл . Однако CO 2 трудно накапливаться в марсианской атмосфере таким образом, потому что парниковый эффект был бы подавлен конденсацией CO 2 .
Теплица с выделенным вулканом CO 2 -H 2 — одно из самых эффективных решений для потепления, недавно предложенных для раннего Марса. Другой возможностью были периодические выбросы метана. Такие комбинации парниковых газов кажутся необходимыми, потому что один только углекислый газ, даже при давлении, превышающем несколько бар, не может объяснить температуры, необходимые для наличия поверхностной жидкой воды на раннем Марсе.
Венера
Атмосфера Венеры на 96% состоит из углекислого газа, и в течение этого времени, миллиарды лет назад, когда Солнце было на 25-30% тусклее, температура поверхности Венеры могла быть намного холоднее, а ее климат мог напоминать нынешний земной. с гидрологическим циклом — до того, как испытала безудержный парниковый эффект .
Источник