Парадокс слабого молодого Солнца

редактировать
Парадокс, касающийся воды на ранней Земле Художественное изображение жизненного цикла солнечной звезды, начинающейся как звезда главной последовательности внизу слева, затем расширяется через фазы субгиганта и гиганта, пока ее внешняя оболочка не вытесняется, образуя планетарную туманность вверху справа.

парадокс слабого молодого Солнца или проблема слабого молодого Солнца описывает очевидное противоречие между наблюдениями жидкой воды в начале истории Земли и астрофизическое ожидание того, что световой поток Солнца будет только на 70 процентов более интенсивным в ту эпоху, чем в современную эпоху. Этот вопрос был поднят астрономами Карлом Саганом и Джорджем Малленом в 1972 году. Предлагаемые решения этого парадокса учитывали парниковый эффект, изменения планетарного альбедо, астрофизические данные. влияния или комбинации этих предложений.

Нерешенным вопросом является то, как климат, подходящий для жизни, поддерживался на Земле в течение длительного периода времени, несмотря на переменную солнечную энергию и широкий диапазон земных условий.

Содержание

  • 1 Солнечная эволюция
  • 2 Растворы парниковых газов
    • 2.1 Аммиак как парниковый газ
    • 2.2 Двуокись углерода как парниковый газ
  • 3 Другие предлагаемые объяснения
    • 3.1 Потеря массы от Солнца
    • 3.2 Изменения в облаках
  • 4 Гипотеза Гайи
  • 5 На других планетах
    • 5.1 Марс
    • 5.2 Венера
  • 6 См. Также
  • 7 Ссылки
  • 8 Дополнительная литература

Солнечная эволюция

Временная шкала жизни Эта рамка:
  • просмотр
  • разговор
-4500 - –-4000 - –-3500 - –-3000 - –-2500 - –-2000 - –-1500 - –-1000 - –-500 - –0 - Вода Одноклеточная. жизнь Фотосинтез Эукариоты Многоклеточная. жизнь Членистоногие Моллюски Растения Динозавры Млекопитающие Цветы Птицы ПриматыЗемля (−4540 )←Ранние водыРанняя жизньСамый ранний кислородАтмосферный кислородКислородный кризисПоловое размножениеДревние растенияДревнейшие животныеКембрийский взрывТетраподаДревние обезьяны P. h. a. n. e. r. o. z. o. i. c ....... P. r. o. t. e. r. o. z. o. i. c ... A. r. c. h. e. a. n H. a. d. e. a. n Понгола Гурон Криогенный Андский Кару Четвертичный Ледниковые периодыДревнейшие грибы (миллионов лет назад )

В начале истории Земли, Солнце Выход был бы только на 70 процентов от того же уровня мощности, что и в современную эпоху, из-за более высокого отношения водорода к гелию в его ядре. С тех пор Солнце постепенно становилось ярче и, следовательно, нагревали поверхность Земли, этот процесс известен как радиационное воздействие. В эпоху архея, при условии постоянного альбедо и других характеристик поверхности, таких как парниковые газы, равновесная температура Земли была бы слишком низкой для существования жидкого океана. Астрономы Карл Саган и Джордж Маллен указали в 1972 г., что это противоречит геологическим и палеонтологическим данным.

Солнце питается ядерным синтезом, который для Солнца может быть представлен в следующим образом:

4 1 H ⟶ He 4 + 2 e + + 2 ν {\ displaystyle {\ ce {4 ^ {1} H ->^ {4} He + 2e + + 2 \ nu}}}{\displaystyle {\ce {4^{1}H ->^ {4} He + 2e + + 2 \ nu}}}
4 1 H + e - ⟶ He 4 + e + + 2 ν {\ displaystyle {\ ce {4 ^ {1} H + e- ->^ {4} He + e + + 2 \ nu}}}{\displaystyle {\ce {4^{1}H + e- ->^ {4} He + e + + 2 \ nu}}}

В приведенных выше уравнениях e - позитрон, e - электрон, а ν - нейтрино (почти безмассовое). В итоге получается тройной эффект: выделение энергии по формуле Эйнштейна ΔE = mc (поскольку ядро ​​гелия менее массивно, чем ядра водорода), увеличение плотности солнечного ядра (поскольку конечный продукт содержится в одном ядре, а не между четырьмя разными протонами), а также увеличение скорости синтеза (поскольку более высокие температуры помогают увеличить скорость столкновения между четырьмя протонами и повысить вероятность того, что такие реакции имеют место). Чистый эффект - это связанное с этим увеличение солнечной светимости. 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), и что с тех пор оно стало примерно линейно ярче, хотя и немного ускорилось.

Несмотря на снижение яркости Солнца 4 миллиарда (4 × 10) лет назад и с парниковым газом, геологические данные показывают постоянно относительно теплую поверхность в полном раннем температурном рекорде 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.

Растворы парниковых газов

Аммиак как парниковый газ

Саган и Маллен даже предположили во время описания парадокса, что его можно решить с помощью высоких концентраций газообразного аммиака, NH3. Однако с тех пор было показано, что, хотя аммиак является эффективным парниковым газом, он легко фотохимически разрушается в атмосфере и превращается в газы азот (N2) и водород (H2). Было высказано предположение (снова 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 со скидкой. Кроме того, считается, что такая дымка охладила находящуюся под ней поверхность Земли и нейтрализовала парниковый эффект.

Двуокись углерода как парниковый газ

На этом концептуальном графике показана взаимосвязь между солнечной радиацией и парниковым эффектом - в данном случае преобладает модуляция двуокиси углерода.

Сейчас считается, что двуокись углерода была присутствует 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.

Первичный механизм достижения такого высокого уровня CO 2 концентрации - это углеродный цикл. В больших временных масштабах неорганическая ветвь углеродного цикла, известная как карбонатно-силикатный цикл, отвечает за определение распределения CO 2 между атмосферой и поверхностью Земля. В частности, во время низких температур поверхности, количество осадков и интенсивность выветривания будут уменьшены, что позволит накопить углекислый газ в атмосфере в масштабе времени 0,5 миллиона лет (млн лет).

В частности, с использованием Одномерные модели, которые представляют Землю в виде единой точки (а не чего-то, что изменяется в трех измерениях), ученые определили, что при 4,5 млрд. Лет назад при 30% -ной яркости Солнца 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 диоксида углерода 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, названные полосчатыми железными образованиями (BIF), и обнаружили большое количество различных богатых железом минералов, включая магнетит (Fe 3O4), окисленный минерал наряду с сидеритом (FeCO 3) и восстановленный минерал, и выяснилось, 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 атмосферные концентрации H 2 с регулированием с помощью биотического метаногенеза. Анаэробные одноклеточные организмы, вырабатывающие метан (CH 4), следовательно, могли способствовать потеплению в дополнение к диоксиду углерода.

Другие предлагаемые объяснения

фанерозойское изменение климата

меньшинство точка зрения, предложенная американским физиком израильского происхождения Ниром Шавивом, использует климатологические влияния солнечного ветра в сочетании с гипотезой датского физика Хенрика Свенсмарка для охлаждающего эффекта космических лучей, чтобы объяснить парадокс. Согласно Шавиву, раннее Солнце излучало более сильный солнечный ветер, который производил защитный эффект от космических лучей. В то время умеренный парниковый эффект, сравнимый с сегодняшним, будет были достаточными, чтобы объяснить, что Земля свободна ото льда. Доказательства более активного раннего Солнца были обнаружены в метеоритах.

Температурный минимум около 2,4 миллиарда лет сопровождается модуляцией потока космических лучей за счет переменной скорости звездообразования. в Млечном Пути. Уменьшенный солнечный удар Позднее это приводит к более сильному воздействию потока космических лучей (CRF), который, как предполагается, приводит к взаимосвязи с климатологическими вариациями.

Потеря массы Солнцем

Несколько раз высказывалось предположение, что потеря массы слабого молодого Солнца в виде более сильных солнечных ветров могла бы компенсировать низкие температуры от 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, похожей на Солнце π Ursae Majoris, соответствуют этой скорости снижения мощности звездного ветра, что позволяет предположить, что более высокая скорость потери массы сама по себе не может разрешить парадокс.

Изменения в облаках

Если концентрации парниковых газов не компенсируют 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 ядрам конденсации облаков как в форме переносимой ветром пыли, так и в виде биогенных источников. Более низкое альбедо позволяет большей части солнечной радиации проникать к поверхности. 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 до уровня чуть выше нуля в среднем.

Другой предложенный механизм уменьшения облачности 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 глобальную среднюю температуру.

Облака продолжают оставаться такими же. доминирующий источник 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 за это время.

Гипотеза Гайи

Гипотеза Гайи утверждает, что биологические процессы работают, чтобы поддерживать стабильный поверхностный климат на Земле, чтобы поддерживать обитаемость посредством различных механизмов отрицательной обратной связи. В то время как органические процессы, такие как цикл органического углерода, регулируют резкие изменения климата и что поверхность Земли, по-видимому, остается обитаемой, эту гипотезу критикуют как трудноразрешимую. Более того, жизнь существовала на поверхности Земли в результате драматических изменений климата, включая эпизоды Snowball Earth. Существуют также сильные и слабые версии гипотезы Гайи, которые вызвали некоторую напряженность в этой области исследований.

На других планетах

Марс

Марс имеет свою версию парадокс 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, что на поверхности Марса был океан и речные сети, напоминающие нынешнюю Землю в конце ноахского периода (4,1–3,7 млрд лет). 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 мог бы возникнуть. были необходимы для повышения температуры поверхности по крайней мере на 65 К, чтобы эти элементы поверхности были вырезаны текущей водой. Гораздо более плотная атмосфера с преобладанием CO 14 2 была предложена как способ вызвать такое повышение температуры. Это будет зависеть от углеродного цикла и скорости вулканизма на протяжении до Ноя и Ноя, что мало известно. Считается, что в эти периоды происходило летучее газовыделение.

Один из способов установить, обладал ли Марс плотной атмосферой, богатой CO 2, - это посмотреть на карбонатные отложения. Основным поглотителем углерода в атмосфере Земли является карбонатно-силикатный цикл. Однако CO 2 сложно образоваться в марсианской атмосфере таким образом, потому что парниковый эффект был бы подавлен конденсацией CO 2.

Теплица с выделенным вулканом CO 2-H2- 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

Венера ' Атмосфера на 96% состоит из углекислого газа, и в течение этого времени, миллиарды лет назад, когда Солнце было на 25-30% ниже, температура поверхности Венеры могла быть намного холоднее, а ее климат мог напоминать нынешний земной, в комплекте с гидрологический цикл - до того, как она испытала неуправляемый парниковый эффект.

См. также

Ссылки

Дополнительная литература

  • Bengtsson, Lennart; Хаммер, Клаус У. (2004). Геосферно-биосферные взаимодействия и климат. Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-78238-8.
Последняя правка сделана 2021-05-20 09:10:19
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте