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
Почему в космосе холодно, если Солнце горячее
Солнце находится на расстоянии около 150 миллионов километров от Земли, но мы можем чувствовать его тепло каждый день. Удивительно, как горящий объект издалека может излучать тепло на таком большом расстоянии.
Мы не говорим о температурах, которые едва регистрируют его присутствие. В 2019 году температура в Кувейте достигла 63 ° C под прямыми солнечными лучами. Если вы будете стоять при таких температурах в течение длительного периода, вы рискуете умереть от теплового удара.
Но больше всего озадачивает то, что космическое пространство остается холодным. Итак, почему пространство такое холодное, если Солнце такое жаркое?
Чтобы понять это удивительное явление, важно сначала распознать разницу между двумя терминами, которые часто используются взаимозаменяемо: тепло и температура.
Роль тепла и температуры
Проще говоря, тепло — это энергия, хранящаяся внутри объекта, в то время как тепло или холодность этого объекта измеряется температурой. Таким образом, когда тепло передается объекту, его температура повышается. И происходит снижение значения температуры, когда тепло извлекается из объекта.
Эта передача тепла может происходить через три режима: проводимость, конвекция и излучение.
Теплопередача через проводимость происходит в твердых телах. Когда твердые частицы нагреваются, они начинают вибрировать и сталкиваться друг с другом, передавая тепло при этом от более горячих частиц к более холодным.
Теплопередача через конвекцию — явление, наблюдаемое в жидкостях и газах. Этот режим теплопередачи также происходит на поверхности между твердыми телами и жидкостями.
Когда жидкость нагревается, молекулы поднимаются вверх и переносят тепловую энергию вместе с ними. Комнатный обогреватель — лучший пример, демонстрирующий конвективный теплообмен.
Когда обогреватель нагревает окружающий воздух, температура воздуха будет повышаться, и воздух поднимется до верха комнаты. Присутствующий сверху холодный воздух вынужден двигаться вниз и нагреваться, создавая конвекционный ток.
Передача тепла посредством излучения — это процесс, при котором объект выделяет тепло в форме света. Все материалы излучают некоторое количество тепловой энергии в зависимости от их температуры.
При комнатной температуре все объекты, включая нас, людей, излучают тепло в виде инфракрасных волн. Из-за излучения тепловизионные камеры могут обнаруживать объекты даже ночью.
Чем горячее объект, тем больше он будет излучать. Солнце является отличным примером теплового излучения, которое переносит тепло через солнечную систему.
Теперь, когда вы знаете разницу между теплом и температурой, мы очень близки к тому, чтобы ответить на вопрос, поставленный в заголовке этой статьи.
Теперь мы знаем, что температура может влиять только на материю. Однако в космосе недостаточно частиц, и это почти полный вакуум и бесконечное пространство.
Это означает, что передача тепла неэффективна. Невозможно передать тепло посредством проводимости или конвекции.
Излучение остается единственной возможностью.
Когда солнечное тепло в форме излучения падает на объект, атомы, составляющие объект, начинают поглощать энергию. Эта энергия начинает двигаться атомы вибрировать и заставлять их производить в процессе тепло.
Однако с этим явлением происходит нечто интересное. Поскольку нет возможности проводить тепло, температура объектов в пространстве будет оставаться неизменной в течение длительного времени.
Горячие предметы остаются горячими, а холодные остаются холодными.
Но когда солнечные лучи попадают в земную атмосферу, появляется много материи для возбуждения. Следовательно, мы чувствуем излучение солнца как тепло.
Это естественно вызывает вопрос: Что произойдет, если мы поместим что-то вне атмосферы Земли?
Космическое пространство может с легкостью заморозить или сжечь вас
Когда объект находится за пределами земной атмосферы и при прямом солнечном свете, она будет нагрета до около 120°C. Объекты вокруг Земли, и в космическом пространстве, которые не получают прямых солнечных лучей находятся в пределах 10°C.
Температура 10°C обусловлена нагревом некоторых молекул, покидающих земную атмосферу. Однако, если мы измерим температуру пустого пространства между небесными телами в космосе, это будет всего на 3 Кельвина выше абсолютного нуля.
Итак, главный вывод здесь заключается в том, что температуру Солнца можно почувствовать только в том случае, если есть материя, чтобы поглотить ее, в космосе почти нет материи, отсюда и холод.
Две стороны солнечного тепла
Мы знаем, что в затененных областях холодно. Лучшим примером является ночное время, когда температура снижается, так как в этой части Земли нет излучения.
Однако в космосе все немного по-другому. Да, объекты, которые скрыты от солнечного излучения, будут холоднее, чем пятна, которые получают солнечный свет, но разница довольно существенная.
Объект в космосе столкнется с двумя экстремальными температурами с двух сторон.
Давайте возьмем для примера Луну. Области, которые получают солнечный свет, нагреваются до 127°C, а темная сторона Луны будет при температуре замерзания -173°C.
Но почему земля не имеет таких же эффектов? Благодаря нашей атмосфере инфракрасные волны от солнца отражаются, и те, которые входят в атмосферу Земли, равномерно распределены.
Вот почему мы чувствуем постепенное изменение температуры, а не крайнюю жару или холод.
Другим примером, показывающим полярность температуры в космосе, является влияние солнца на солнечный зонд Parker. Солнечный зонд Parker — это программа НАСА, где зонд был отправлен в космос для изучения Солнца.
Солнечный зонд «Паркер»
В апреле 2019 года зонд находился всего в 15 миллионах миль от Солнца. Чтобы защитить себя, он использовал теплозащитный экран.
Температура теплового экрана, когда он был бомбардирован солнечным излучением, составляла 121°C, в то время как остальная часть зонда имела -150°C.
Космос — это лучший термос
Когда нагревать нечего, температура системы остается прежней. Это относится и к космосу. Солнечное излучение может проходить через него, но нет молекул или атомов, чтобы поглотить это тепло.
Даже когда скала нагревается выше 100°C излучением Солнца, пространство вокруг нее не будет поглощать никакой температуры по той же причине. Когда нет материи, передача температуры не происходит.
Следовательно, даже когда солнце излучает, пространство остается холодным как лед!
Источник