Как появилась жизнь на Земле, если в прошлом Солнце давало меньше тепла
В истории Солнечной системы и в первую очередь нашей с вами планеты (впрочем, это также касается и Марса) есть одна совершенно непостижимая загадка, связанная с Солнцем.
Парадокс молодого тусклого Солнца
Дело в том, что звезды подобные Солнцу встречаются во Вселенной не так уж редко, а потому у нас была возможность довольно подробно проследить их эволюцию. И всегда выходило так, что рождаются они очень тусклыми и только со временем “разогреваются”, начиная сиять, как наше светило сейчас.
Если бы все шло как предсказали ученые, Земля нашего времени только-только сбросила бы вековые льды, а до динозавров были ещё миллионы лет. К счастью, природа нашла какой-то особенный выход из этого положения.
И будь оно в нашем случае также, Земля, родившаяся вместе с Солнцем 4,5 миллиарда лет назад, должна была как минимум два миллиарда лет оставаться очень холодным миром, на котором не могло быть и речи о жидкой воде, а значит, и жизни в той форме, к которой мы привыкли. Однако геологические свидетельства говорят о прямо противоположном.
Через два миллиарда лет после появления на Земле уже вовсю откладывались минералы, образующиеся только при наличии жидкой воды. Более того, в некоторых ископаемых можно обнаружить следы бактерий и сделать вывод, что к моменту потенциального выхода на условия обитаемости Земля уже миллиард лет как поддерживала жизнь.
Этот известный парадокс молодого тусклого Солнца имеет несколько объясняющих его теорий, ни одна из которых пока не может занять главенствующее место из-за скудности информации о тех временах.
Что представляет собой механизм парадокса молодого тусклого Солнца
Парадокс тусклого молодого Солнца возник в 1960-х годах, когда впервые было проведено численное моделирование химических процессов в звезде и оценено их влияние на яркость солнцеподобной звезды. Был получен четкий результат.
Молодое Солнце имело избыток водорода, своего основного топлива, в ядре. Из-за большого количества легкого элемента ядро Солнца расширилось, потеряв температуру.
Как результат Земля должна была получать на четверть или даже треть меньше тепла, чем сейчас. Температура поверхности планеты из-за этого в среднем должна упасть на 20 градусов и стать на 10 градусов меньше температуры замерзания воды.
Но образцы возрастом до 4,4 миллиарда лет, то есть всего через 100 миллионов лет после образования планеты, уже содержат минералы, указывающие на наличие жидкой воды на планете. Столь древние образцы не дают полной уверенности в наличии воды в то время, но уже 3,5 миллиарда лет назад появляются признаки жизнедеятельности микробов. Выходит, жизнь процветала на планете, которая по всем законам должна была быть ледяной пустыней.
Иллюстрация работы парникового эффекта. Классического парникового эффекта – так как в случае с молодой Землей, главный парниковый газ нам не известен
Попытки решения загадки зарождения жизни на Земле в условиях слабого Солнца
Неизвестный парниковый газ в атмосфере древней Земли
Одно из первых и до сих пор достаточно актуальная гипотеза решения этой проблемы заключалось в наличии какого-то парникового газа в атмосфере Земли, причем в очень и очень больших количествах. И это не может быть современный парниковый газ: диоксид углерода (углекислый газ). Его содержание в атмосфере древней Земли можно оценить по наличию в отложениях минералов, образующихся, когда углекислый газ попадает в почву с дождем.
В течение архея, продолжавшегося с 4 до 2.5 миллиардов лет назад, содержание углекислого газа было заметно выше, чем сейчас. Однако для того, чтобы поддерживать температуру мирового океана на уровне 5 градусов, чтобы он точно не замерзал, этого газа требуется в 300 раз больше, чем сейчас, но… самые смелые оценки, сделанные на основе геологической информации, не превышают тридцатикратного современного уровня.
Тем не менее углекислый газ мог быть “заводилой” в газовой смеси, которая поддерживала тепло на молодой Земле.
Еще один известный парниковый газ, аммиак, быстро разрушился бы в атмосфере древней Земли, лишенной мощного озонового слоя. Метан тоже отпадает, так как его нужно было настолько много, что он начал бы работать в обратном направлении – не накапливать тепло, а заслонять Землю от солнечных лучей туманной пеленой.
Азот и водород могли бы стать подходящими кандидатами, но сложно сказать, была ли когда-либо атмосфера нашей планеты настолько плотной, что в ней удерживались эти легкие газы. В целом, любой парниковый газ поднимает не меньше проблем, чем их разрешает.
Может быть изменились параметры самой планеты Земля?
4,5 миллиарда лет – большой срок, чтоб изменить до неузнаваемости планету, причем не только её “внешность”, но и положение в космосе. Влияние гравитационного поля Луны, которые сегодня в течение суток можно наблюдать в виде приливов, на временном интервале в миллиарды лет проявляется в замедлении вращения планеты вокруг оси.
Планета стремится встать одной стороной к Луне, как сделал наш спутник, масса которого намного меньше, отчего он и оказался захвачен приливными силами раньше. Другое положение спутника, другая скорость вращения планеты и т.п. – все это могло заметно повлиять на структуры потоков тепла, передающих энергию от экватора к полюсу. Это, в свою очередь, влияло на распределение ледяного покрова планеты. А так как лед отражает свет сильнее, чем суша или океаны, уменьшение его территории означает увеличение получаемого тепла.
Далее, континенты Земли миллиарды лет назад были совсем другими, другим было и общее количество суши. Океаны поглощают больше тепла Солнца, а значит, если суши было меньше, то тепла планета получала больше. Или если большая часть суши скопилась ближе к полюсам, подставив наиболее освещенную экваториальную часть на долю океана, температура планеты опять должна повыситься.
Наконец, изменение химического состава облаков могло привести к проникновению большего количества тепла. Все это могло объяснить парадокс холодного Солнца без парниковых газов. Выделение наиболее вероятного эффекта усложняется ограниченными знаниями о древней Земле и слишком грубыми климатическими моделями. Попытка включить в них все эти факторы приводит к необозримым результатам.
Может быть изменялась не наша планета, а вся Солнечная система?
Помимо манипуляций с параметрами Земли, есть и совершенно другая возможность объяснения парадокса тусклого молодого Солнца.
Время от времени возникают предположения о том, что Солнце в прошлом могло быть даже больше, чем сейчас, ведь оно же теряет массу в виде постоянного солнечного ветра и коротких, но мощных корональных выбросов. Во время образования светило могло быть всего на 2.5% тяжелее, чего вполне достаточно для объяснения парадокса. Точнее, для его полного снятия – ведь “увеличенное” (хотя и по прежнему “тусклое”) Солнце тогда светило бы так же, как сейчас.
Впрочем это не доказуемо. Зато вполне доказуемо вот что:
Наконец, последнее предположение – изменения в масштабе всей Солнечной системе. В свое время, известный математик Владимир Игоревич Арнольд наглядно доказал, что Солнечная система является удивительно устойчивым космическим образованием, на огромном интервале времени. Огромном, но все же конечном.
Как когда-то по Солнечной системе “гулял” гигант Юпитер, так примеру, малыш Меркурий может сняться со своей орбиты и начать путешествие от Солнца, что приведет к столкновению с одной из внутренних планет. А что верно для будущего, может быть верно и для прошлого.
Эволюция Солнца, хотя параметры нашей звезды за миллиарды лет особо не изменились, количество тепла получаемого Землей сейчас и 4 миллиарда лет назад, отличается примерно на треть.
Земля ведь тоже могла образоваться несколько ближе к Солнцу, и различия в несколько процентов в большой полуоси орбиты нашей планеты достаточно для объяснения парадокса тусклого молодого Солнца. К переходу на новую орбиту могло привести грандиозное столкновение, родившее современную Венеру (хотя кратеры планеты указывают на молодую поверхность планеты – всего около полумиллиарда лет).
Последовавшие за этим изменения в гравитационном поле Солнечной системы привели к ее небольшой подстройке. И именно поэтому сейчас Земля не поджарилась под лучами более теплого Солнца в наше время.
Парадокс тусклого молодого Солнца и зоны обитаемости далеких звезд
Если посмотреть на тему этой статьи несколько шире, и выйти мысленно за пределы Солнечной системы, то мы увидим любопытную прикладную особенность отмеченных выше теорий, применимо для поиска потенциально обитаемых экзопланет.
Все то, о чем мы говорили в отношении Земли, может быть применено и к другим планетам похожим на Землю. Я уже не раз отмечал, что само понятие “зоны обитаемости” звезды, во многом вынужденное – просто именно на определенном расстоянии, от звезды определенного класса, шанс найти условия сходные земным наиболее высок. Но ведь это порождает и определенную ограниченность обзора – мы совершенно не рассматриваем в качестве кандидатов на обнаружение жизни или условий сходных земным, у экзопланет находящихся вне зоны обитаемости.
Но как было показано выше, некоторые локальные эффекты, подобно парниковому, вызванному комбинацией каких-то газов, которые по отдельности не способны согреть планету, но вместе дают кумулятивный эффект, имеет место и для экзопланет.
В зависимости от наличия парниковых газов, внутреннего запаса тепла и действия приливных сил планете может понадобиться больше или меньше тепла чтобы поддерживать на поверхности жидкую воду, не давая ей ни замерзнуть, ни испариться.
Атмосферы сверхземель могут оказаться особенно богаты водородом и азотом, делая эти гигантские, но все же твердые миры, хорошей целью для поисков признаков жизни.
Источник
Все за сегодня
Политика
Экономика
Наука
Война и ВПК
Общество
ИноБлоги
Подкасты
Мультимедиа
Наука
Forbes (США): пока Земля удаляется от Солнца, но со временем она столкнется с ним
Будь у нас возможность измерять среднее расстояние от Земли до Солнца в течение целого года и на протяжении нескольких лет, мы бы обнаружили нечто весьма тревожное. С каждым годом наша планета понемногу удаляется от Солнца — примерно на полтора сантиметра в год. Миллиарды лет Земля медленно мигрирует по своей орбите вовне, и эта тенденция должна сохраниться на миллиарды лет.
И все равно это лишь временное явление. Со временем Земля утратит свою орбитальную энергию и полетит в сторону Солнца, даже если оно не поглотит нашу планету, когда станет красным гигантом. В далеком будущем в игру в Солнечной системе вступит множество факторов, но в итоге последнее слово будет за Эйнштейном. Как же будет меняться орбита Земли вплоть до ее печальной кончины?
Мысль о том, что земная орбита со временем меняется, многим кажется странной и обескураживающей. В конце концов, мы со времен Кеплера, то есть, более 400 лет очень хорошо понимаем, как движутся планеты. Его первый закон планетарного движения гласит: орбита каждой планеты — эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце. И этот закон полностью соответствует ньютоновской теории тяготения.
Это производит еще большее впечатление, если задуматься о том, что закон всемирного тяготения Ньютона был сформулирован лишь спустя 60 лет после того, как Кеплер изложил свои законы. Тем не менее, законы Кеплера и Ньютона в действительности верны лишь приблизительно. Есть шесть отдельных явлений, которые играют роль «спойлера» в этом точном и совершенно стабильном решении. Перечислим каждое из них и расскажем о тех эффектах, которые эти явления производят.
1. Ядерный синтез в Солнце. Каждую секунду значительное количество легких атомных ядер внутри Солнца превращается в более тяжелые элементы и изотопы в ходе реакции ядерного синтеза. Когда легкие элементы объединяются в более тяжелые, тяжелые ядра становятся прочно связанными, но для этого требуется выделение энергии. Конечный продукт солнечного синтеза гелий-4 на 0,7% легче, чем четыре протона, которые образуют его в результате цепной реакции.
Таким образом, Солнце каждую секунду теряет в целом четыре миллиона тонн массы по формуле Эйнштейна E = mc². Такая потеря массы ничтожно мала, но со временем она накапливается. С каждым годом из-за такой потери массы в результате ядерного синтеза земная орбита увеличивается на полтора сантиметра. За все время своего существования Солнце из-за ядерного синтеза потеряло такое количество массы, которое соответствует массе Сатурна.
2. Обращаясь по орбите вокруг Солнца, Земля сталкивается с частицами. Это производило колоссальный эффект на раннем этапе существования Солнечной системы, когда Солнце окружал протопланетный диск вещества. Это снова будет производить колоссальный эффект, когда Солнце станет красным гигантом, потому что через 7,6 миллиарда лет оно выбросит огромное количество вещества, составляющее около 33% его общей массы.
В обоих случаях, когда это вещество сталкивается с Землей, наша орбита меняется. Точное количество этих изменений зависит от скорости вещества относительно Земли. При формировании Солнечной системы это движение вовнутрь, а в конце жизни Солнца это движение наружу. Но сейчас нас бомбардируют в основном только частицы солнечного ветра, масса которых ничтожна, составляя около 18 000 тонн в год. Это очень мало. Под воздействием этих частиц земная орбита каждый миллион лет меняется всего на ширину протона.
3. Гравитационное воздействие других массивных тел в нашей Солнечной системе. Это может играть существенную роль, а может и не играть. В нашей Солнечной системе есть много объектов, обращающихся по орбите вокруг Солнца и вокруг других тел. У каждого из них вполне определенный и немалый размер и масса, и они оказывают друг на друга взаимное гравитационное воздействие. Когда это происходит, появляется шанс на то, что эти орбиты со временем изменятся и станут хаотичными.
Согласно выводам одного недавнего исследования, существует примерно однопроцентный шанс на то, что одна или более из четырех внутренних планет Солнечной системы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) в предстоящие несколько миллиардов лет утратят свою орбитальную устойчивость. Если такое случится, орбита Земли может существенно измениться. Не исключено, что под воздействием этих сил наша планета врежется в Солнце или покинет пределы Солнечной системы. Это самая непредсказуемая составляющая земной орбиты.
4. Солнце превратится в гигантскую красную звезду. Мы знаем, что это случится, и нам также примерно известно, как это произойдет. Внутреннее ядро сократится и раскалится; внешние слои вспучатся и чудовищно увеличатся в размерах; в ядре звезды начнется гелиевый синтез; Солнце выбросит значительную часть своей массы. Но для нас важнее всего другое. Превратившись в красный гигант и увеличившись, Солнце поглотит внутренние планеты.
Исчезнет Меркурий. Венеру Солнце тоже проглотит. Земле также наступит конец, если только она не сумеет отдалиться от Солнца более чем на 15% от своего нынешнего радиуса, что весьма сомнительно и потребует от нее усиления орбитальной нестабильности в период от настоящего времени до превращения Солнца в красный гигант. Но чтобы Земля выжила при красном гиганте (а она может), ее отдаление от Солнца должно закончиться уже сейчас.
5. Другие тела в галактике. Время от времени вблизи нашей Солнечной системы будет проходить крупная масса, скажем, звезда, коричневый карлик или блуждающая планета. Очень маловероятно, что такой объект пролетит достаточно близко и выведет земную орбиту из стабильного состояния до того, как Солнце превратится в красный гигант. Но после этой фазы времени будет очень много. К тому моменту, когда возраст Вселенной в 100 тысяч раз превысит ее нынешний возраст, близкое гравитационное схождение будет намного вероятнее.
Когда исчезнет Меркурий и Венера, Земля станет самой близкой к Солнцу планетой. Когда случится неизбежное, может произойти одно из двух. Либо вторгшаяся масса выведет Землю из состояния покоя, сделав ее орбиту нестабильной, либо система Солнце-Земля (возможно, вместе с Марсом, Юпитером и другими оставшимися планетами) будет выброшена из нашей Галактики. Это хаотичный и непредсказуемый процесс, и может случиться что угодно. Надо только дождаться.
6. Гравитационное излучение. Но если Земля останется привязанной к Солнцу — а такое вполне вероятно, если остатки Солнечной системы будут выброшены за пределы Галактики, то гравитационное излучение заставит Землю медленно приближаться к Солнцу. Согласно эйнштейновской теории тяготения, когда две массы обращаются по орбите друг вокруг друга, излучаются гравитационные волны.
Контекст
Forbes: Солнце — виновник скачка содержания углерода на Земле
Коронавирус: причем здесь Солнце? (Печат)
Оптимальное топливо — на Луне
Все шесть перечисленных явлений вполне реальны, и все они способствуют изменению орбиты Земли. Каждое из них в отдельности в свое время может стать самым важным.
1. На ранних этапах существования Солнечной системы, когда планеты и их спутники еще формировались, столкновения между планетами и планетозималями очень сильно влияли на изменения в орбите Земли (прото-Земли).
2. Сегодня потеря массы из-за ядерного синтеза сильнее всего влияет на удаление Земли от Солнца.
3. При возникновении гравитационной нестабильности влияние других планет может изменить и даже разрушить орбиту Земли до того, как Солнце станет красным гигантом.
4. Когда Солнце станет превращаться в красный гигант, все будет зависеть от того, поглотит оно Землю или нет. Если поглотит, нашей планете придет конец.
5. После того как Солнце станет белым карликом, начнется космический гравитационный бильярд. Либо Земля оторвется от Солнца, либо вся оставшаяся Солнечная система вместе с Землей полетит прочь.
6. Но если Земля к тому времени еще сохранится, она будет продолжать гравитационное движение вовнутрь, пока ее не поглотит черный карлик, в которого к тому времени превратится Солнце.
Сейчас Земля медленно отдаляется от Солнца под воздействием неумолимого ядерного синтеза внутри нашей звезды. Со временем Солнце будет постепенно сжигать свое топливо, теряя при этом массу и ослабляя свою гравитационную хватку. Если это будет продолжаться до его превращения в красный гигант, к тому времени либо Солнце поглотит Землю, либо она выживет и станет свидетельницей его превращения в белый карлик.
В этот момент гравитационное излучение приведет к медленному ослаблению орбитального движения Земли, в результате чего она начнет приближаться к Солнцу. Если через Солнечную систему не пролетит блуждающий объект и не вытолкнет из нее Землю, ее сближение с Солнцем будет продолжаться, и со временем она упадет на солнечный труп. Произойдет это, когда Вселенная станет в 10 квадриллионов раз старше. Пока Земля дрейфует в сторону от Солнца, но если мы не оторвемся от нашей звезды, нашей неизбежной судьбой на отдаленную перспективу станет медленное падение на нее.
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.
Источник