Парадоксом слабого молодого солнца

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

Парадокс слабого молодого Солнца

Из Википедии — свободной энциклопедии

Парадокс слабого молодого Солнца — наблюдаемое противоречие между палеоклиматическими данными и астрофизическими моделями эволюции Солнца.

Стандартная модель эволюции звёзд утверждает, что 4 млрд лет назад Солнце излучало приблизительно на 30 % меньше энергии, чем сейчас. При таких условиях вода на поверхности Земли должна была бы полностью замёрзнуть. В то же время геологические исследования архейских осадочных пород показывают, что в эту эпоху на Земле был влажный и тёплый климат. В условиях глобального оледенения, возможно, не смогла бы возникнуть жизнь.

Большинство учёных склоняются к объяснению этого парадокса глобальным парниковым эффектом, действовавшим в ранней истории Земли и вызванным очень высокими концентрациями таких вулканических газов, как углекислый газ и метан. Впервые эту модель предложили и количественно анализировали советские ученые Л. М. Мухин и В. И. Мороз. В роли парникового газа могла выступать смесь азота и водорода, которого в атмосфере молодой Земли было больше, чем сейчас [1] . Альтернативные гипотезы, объясняющие достаточный для зарождения и поддержания жизни приток тепла, включают изменение структуры Солнечной системы, при котором Земля родилась ближе к Солнцу, и изменения в расположении и площади материков планеты [2] .

На Марсе также установлены следы тёплого и влажного климата. Расположенные в одних и тех же районах разновозрастные кратеры в различной степени подвержены эрозионным процессам. Для древних кратеров определены намного большие скорости эрозии, чем для молодых. Из этих и некоторых других наблюдений делается вывод о наличии жидкой воды на Марсе на ранних этапах его существования.

Источник