Жас Жердегі су парадоксы: Күннің әлсіздігі мен тіршілік мүмкіндігі
Faint young Sun paradox
Жас Жерде судың болуына қатысты парадокс: Күннің сәулесі әлсіз болса да, мұхиттар мұздамай, тіршілікке жағдай болған. Себебі – көмірқышқыл газының әсері.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ертедегі Жердегі су туралы парадокс
Paradox concerning water on early Earth
Жас Күн парадоксы немесе жас Күн мәселесі, Жер тарихының басындағы сұйық судың байқалуы мен астрофизикалық болжамдар арасындағы айқайшылықты сипаттайды. Астрофизикалық болжамдарға сәйкес, Күннің энергиясы сол кезде қазіргіге қарағанда 70 пайызға ғана қарқынды болған. Парадокс мынада: жас Күннің энергиясы қазіргі деңгейінің 70 пайызын ғана құраса, ертедегі Жер толығымен қатып қалған болуы керек еді, бірақ ертедегі Жерде сұйық су болған және тіршілікке жағдай жасаған. Бұл мәселені 1972 жылы астрономдар Карл Саган мен Джордж Маллен көтерген. Осы парадоксқа ұсынылған шешімдер парниктік эффект, планеталық альбедоның өзгеруі, астрофизикалық факторлар немесе осылардың комбинациясын қарастырады. Басым теория бойынша, көмірқышқыл газы Жердің жылынуына ең көп үлес қосыпты.
The faint young Sun paradox or faint young Sun problem describes the apparent contradiction between observations of liquid water early in Earth's history and the astrophysical expectation that the Sun's output would be only 70 percent as intense during that epoch as it is during the modern epoch. The paradox is this: with the young Sun's output at only 70 percent of its current output, early Earth would be expected to be completely frozen, but early Earth seems to have had liquid water and supported life. The issue was raised by astronomers Carl Sagan and George Mullen in 1972. Proposed resolutions of this paradox have taken into account greenhouse effects, changes to planetary albedo, astrophysical influences, or combinations of these suggestions. The predominant theory is that the greenhouse gas carbon dioxide contributed most to the warming of the Earth.
Күннің эволюциясы
Жұлдыздық құрылымның модельдері, әсіресе стандартты күн моделі, Күннің жарықтанғанын болжайды. Бұл жарықтану Күн ядросындағы ядролық синтез нәтижесінде масса бірлігіне шамалы бөлшектер санының азаюынан туындайды – әрқайсысы төрт протон мен электроннан бір гелий ядросы мен екі электронға дейін. Бөлшектердің азаюы қысымды төмендетуге алып келеді. Күннің зор гравитациялық күшінен құлауы температураның артуымен болдырмайды, ал температураның артуы ядролық синтездің жоғары деңгейінің себебі де, салдары да болып табылады. Соңғы модельдеу зерттеулері көрсеткендей, Күн қазір 4,6 миллиард жыл бұрынғыға қарағанда 1,4 есе жарықтап тұр, және бұл жарықтану айтарлықтай үдеген. Күннің бетінде ядролық синтездің күші артуы күннің сәуле шығару қабілетін (люминосқа) жоғарылатады (температура мен радиустың шамалы өсуі арқылы), бұл Жерде радиациялық күш деп аталады.
Models of stellar structure, especially the standard solar model predict a brightening of the Sun. The brightening is caused by a decrease in the number of particles per unit mass due to nuclear fusion in the Sun's core, from four protons and electrons each to one helium nucleus and two electrons. Fewer particles would exert less pressure. A collapse under the enormous gravity is prevented by an increase in temperature, which is both cause and effect of a higher rate of nuclear fusion. More recent modeling studies have shown that the Sun is currently 1.4 times brighter today than it was 4.6 billion years ago (Ga), and that the brightening has accelerated considerably. At the surface of the Sun, more fusion power means a higher solar luminosity (via slight increases in temperature and radius), which on Earth is termed radiative forcing.
Парниктік газдар
Саган мен Mullen парадоксты сипаттағанда, оны аммиак газының жоғары концентрациясымен, NH3 арқылы шешуге болатындығын ұсынды. Бұл фотохимиялық тұман аммиактың жойылуына кедергі келтіріп, осы кезеңде парниктік газ ретінде әрекет етуіне мүмкіндік беруі мүмкін деген пікір (қайта Саган) айтылды; алайда 2001 жылы бұл идея фотохимиялық модельде сыналып, қолдау таппады. Мұндай тұман Жер бетінің астындағы температураны төмендетіп, парниктік эффектіге қарсы әрекет еткен деп саналады. 2010 жылы Колорадо университетінің ғалымдары бұл идеяны қайта қарастырып, егер тұман фракталды құрылымға ие болса, аммиак гипотезасының маңыздылығын дәлелдеді. Қазіргі таңда көмірқышқыл газы осы кезеңде күн сәулесінің азаюымен бірге жоғары концентрацияда болған деп есептеледі. Бұл алғаш рет 1970 жылдардың соңында Жер атмосферасының эволюциясының бір бөлігі ретінде ұсынылып, тексерілді. Қазіргі атмосфера деңгейінен (немесе PAL) шамамен 1000 есе жоғары атмосфера Жердің көміртек циклының және күннің эволюциясының даму жолымен сәйкес келетіндігі анықталды. Мұндай жоғары CO2 концентрациясына жетудің басты механизмі – көміртек циклы. Ұзақ мерзімді кезеңдерде көміртек циклының органикалық емес бөлігі, көміртекті-силикатты цикл деп аталатын, атмосфера мен Жер бетіндегі CO2 таралуын анықтайды. Атап айтқанда, жер бетінің температурасы төмен болған кезде жауын-шашын және тозған кездегі процестердің қарқыны төмендеп, атмосферада көмірқышқыл газының 0,5 миллион жыл ішінде жиналуына жағдай жасалады. Атап айтқанда, Жерді бір нүкте ретінде бейнелейтін 1D модельдерді қолдана отырып (үш өлшемді өзгерістерді ескермей), ғалымдар 4,5 Га кезінде 30%-ға әлсіз Күннің әсерімен жер бетінің температурасын қалыпты деңгейде ұстау үшін кемінде 0,1 бар CO2 бөлшектік қысымы қажет екенін анықтады; 10 бар CO2 ықтимал жоғарғы шек ретінде қарастырылады. Көмірқышқыл газының мөлшері әлі де талқыланып жатыр. 2001 жылы Sleep пен Zahnle жас, тектоникалық белсенді Жерде теңіз түбіндегі тозған кездегі процестердің күшеюі көмірқышқыл газының деңгейін төмендеткен болуы мүмкін деп болжады. 2010 жылы Rosing және әріптестері темірдің жолақты формациялары деп аталатын теңіз шөгінділерін талдап, магнетит (Fe3O4) сияқты тотыққан минералдармен қатар, сидерит (FeCO3) сияқты тотықпаған минералдардың көп мөлшерін тапты және олар Жер тарихының бірінші жартысында пайда болғанын анықтады (кейінірек емес). Минералдардың бірге кездесуі CO2 мен H2 арасындағы тепе-теңдікке ұқсас жағдайды көрсетеді. Талдау барысында Rosing және әріптестері атмосфералық H2 концентрациясын биотикалық метаногенезбен байланыстырды. Сондықтан, көмірқышқыл газына қоса, метан (CH4) өндіретін анаэробты, бір жасушалы организмдер де жылынуға үлес қосуы мүмкін.
Sagan and Mullen suggested during their descriptions of the paradox that it might be solved by high concentrations of ammonia gas, NH3. It was suggested (again by Sagan) that a photochemical haze could have prevented this destruction of ammonia and allowed it to continue acting as a greenhouse gas during this time; however, by 2001, this idea was tested using a photochemical model and discounted. Furthermore, such a haze is thought to have cooled Earth's surface beneath it and counteracted the greenhouse effect. Around 2010, scholars at the University of Colorado revived the idea, arguing that the ammonia hypothesis is a viable contributor if the haze formed a fractal pattern. It is now thought that carbon dioxide was present in higher concentrations during this period of lower solar radiation. It was first proposed and tested as part of Earth's atmospheric evolution in the late 1970s. An atmosphere that contained about 1,000 times the present atmospheric level (or PAL) was found to be consistent with the evolutionary path of Earth's carbon cycle and solar evolution. The primary mechanism for attaining such high CO2 concentrations is the carbon cycle. On large timescales, the inorganic branch of the carbon cycle, which is known as the carbonate–silicate cycle is responsible for determining the partitioning of CO2 between the atmosphere and the surface of Earth. In particular, during a time of low surface temperatures, rainfall and weathering rates would be reduced, allowing for the build up of carbon dioxide in the atmosphere on timescales of 0.5 million years. Specifically, using 1 D models, which represent Earth as a single point (instead of something that varies across 3 dimensions) scientists have determined that at 4.5 Ga, with a 30% dimmer Sun, a minimum partial pressure of 0.1 bar of CO2 is required to maintain an above freezing surface temperature; 10 bar of CO2 has been suggested as a plausible upper limit. The amount of carbon dioxide levels is still under debate. In 2001, Sleep and Zahnle suggested that increased weathering on the sea floor on a young, tectonically active Earth could have reduced carbon dioxide levels. Then in 2010, Rosing et al. analyzed marine sediments called banded iron formations and found large amounts of various iron rich minerals, including magnetite (Fe3O4), an oxidized mineral alongside siderite (FeCO3), a reduced mineral and saw that they formed during the first half of Earth's history (and not afterward). The minerals' relative coexistence suggested an analogous balance between CO2 and H2. In the analysis, Rosing et al. connected the atmospheric H2 concentrations with regulation by biotic methanogenesis. Anaerobic, single celled organisms that produced methane (CH4) may therefore have contributed to the warming in addition to carbon dioxide.
Жауын-шашын жылыту
Ай бастапқыда Жерге әлдеқайда жақын болған, және Жер қазіргідей жылдам айналмаған, нәтижесінде қазіргіге қарағанда күшті тасқындық қызу пайда болған. Алғашқы есептеулер көрсеткендей, тіпті ертедегі тасқындық қызу да минималды болған, шамамен шаршы метрге 0,02 ваттқа дейін. (Салыстыру үшін, Жер атмосферасына түсетін күн энергиясы шаршы метрге 1000 ватт шамасында.) Дегенмен, 2021 жыл шамасында Рене Хеллер басқарыған команда мұндай есептеулердің тым қарапайым екенін, ал кейбір мүмкін модельдерде тасқындық қызу шаршы метрге 10 ваттқа дейін үлес қосып, 100 миллион жыл ішінде тепе-теңдік температурасын бес градус Цельсийге дейін көтеріп біруі мүмкін екенін айтты. Мұндай үлес парадоксқа ішінара шешім табуға көмектесер еді, бірақ жылыжай эффектісі сияқты қосымша факторларсыз, әлсіз жас парадоксын толық шешуге жеткіліксіз. Алайда, Айдың Рош шегінен тыс қалыптасқандығы туралы негізгі болжам әлі нақты емес: қалдықтардың магниттелген дискісі бұрыштық импульсті алып, Жердің жоғары орбитасындағы, салмағы аз Айдың пайда болуына себеп болуы мүмкін.
The Moon was originally much closer to the Earth, which rotated faster than it does today, resulting in greater tidal heating than experienced today. Original estimates found that even early tidal heating would be minimal, perhaps 0.02 watts per square meter. (For comparison, the solar energy incident on the Earth's atmosphere is on the order of 1,000 watts per square meter.) However, around 2021, a team led by René Heller in Germany argued that such estimates were simplistic and that in some plausible models tidal heating might have contributed on the order of 10 watts per square meter and increased the equilibrium temperature by up to five degrees Celsius on a timescale of 100 million years. Such a contribution would partially resolve the paradox but is insufficient to solve the faint young paradox on its own without additional factors such as greenhouse heating. The underlying assumption of Moon's formation just outside of the Roche limit is not certain, however: a magnetized disk of debris could have transported angular momentum leading to a less massive Moon in a higher orbit.
Космикалық сәулелер
Израильдік америкалық физик Нир Шавив ұсынған азшылық пікір, күн желдерінің климатқа тигізетін әсерін, Даниялық физик Хенрик Свенсмарктың ғарыштық сәулелердің салқындату әсері туралы гипотезасымен байланыстырады. Шавивтің сөзіне қарағанда, ертедегі Күн ғарыштық сәулелерден қорғайтын күшті күн желдерін шығарған. Сол кездегі орташа парниктік эффект, бүгінгідей, Жердің көбінесе мұздан бос болуын түсіндіруге жеткілікті болар еді. Метеориттер ертедегі Күннің белсенділігін көрсететін дәлелдерді ұсынады. 2.4 миллиард жыл бұрынғы температураның ең төменгі нүктесі, Галактикадағы жұлдыз пайда болу жылдамдығының өзгеруімен қатар, ғарыштық сәулелер ағынының модуляциясына сәйкес келеді. Күннің әсерінің азаюы кейіннен ғарыштық сәулелер ағынының күшеюіне алып келеді, бұл климаттың өзгеруімен байланысты болуы мүмкін деп болжанады.
A minority view propounded by the Israeli American physicist Nir Shaviv uses climatological influences of solar wind combined with a hypothesis of Danish physicist Henrik Svensmark for a cooling effect of cosmic rays. According to Shaviv, the early Sun had emitted a stronger solar wind that produced a protective effect against cosmic rays. In that early age, a moderate greenhouse effect comparable to today's would have been sufficient to explain a largely ice free Earth. Evidence for a more active early Sun has been found in meteorites. The temperature minimum around 2.4 Ga goes along with a cosmic ray flux modulation by a variable star formation rate in the Milky Way. The reduced solar impact later results in a stronger impact of cosmic ray flux, which is hypothesized to lead to a relationship with climatological variations.
Күннен масса жоғалту
Жас Күннің әлсіздігінен күшті күн желдері түріндегі масса жоғалуы, парниктік газдардың салдарынан төмен температураны толықтыруға мүмкін деген ұсыныс бірнеше рет айтылды. Осы тұрғыда, ертедегі Күн ұзақ кезең бойы жоғары күн желдері шығарумен сипатталды. Экзопланеталық деректерге сүйенсек, бұл Күннің өмір бойында 5-6% массасын жоғалтуына алып келді, нәтижесінде күн сәулесінің тұрақты деңгейі сақталды (ертедегі Күннің массасы артық болғандықтан, күтілгеннен көп энергия шығарылды). Архей дәуіріндегі жылы жағдайларды түсіндіру үшін, бұл масса жоғалуы шамамен бір миллиард жыл ішінде жүрген болуы керек. Метеориттер мен айдан алынған сынамалардағы иондық енгізу деректері, күн желдерінің жоғары қарқыны тек 100 миллион жылға созылғанын көрсетеді. Жас Күнге ұқсас жұлдыз π1 Ursae Majoris бойынша жасалған бақылаулар, жұлдыздық желдің қарқынының төмендеуімен сәйкес келеді, бұл жоғары масса жоғалту деңгейінің өзі парадоксқа жауап бере алмайтынын көрсетеді.
It has been proposed several times that mass loss from the faint young Sun in the form of stronger solar winds could have compensated for the low temperatures from greenhouse gas forcing. In this framework, the early Sun underwent an extended period of higher solar wind output. Based on exoplanetary data, this caused a mass loss from the Sun of 5−6 percent over its lifetime, resulting in a more consistent level of solar luminosity (as the early Sun had more mass, resulting in more energy output than was predicted). In order to explain the warm conditions in the Archean eon, this mass loss must have occurred over an interval of about one billion years. Records of ion implantation from meteorites and lunar samples show that the elevated rate of solar wind flux only lasted for a period of 100 million years. Observations of the young Sun like star π1 Ursae Majoris match this rate of decline in the stellar wind output, suggesting that a higher mass loss rate cannot by itself resolve the paradox.
Бұлттардың өзгеруі
Егер парниктік газ концентрациясы Күннің әлсіреуін толықтай өтемесе, орташа температура диапазоны төменгі беттік альбедомен түсіндірілуі мүмкін. Сол кезде ашық континенттік жердің кішігірім аумағы желмен көтерілген шаң және биогендік көздер түрінде бұлт конденсациясының ядроларының азаюына әкелген болар еді. Төменгі альбедо күн сәулесінің үлкен бөлігінің жер бетіне енуіне мүмкіндік береді. Goldblatt және Zahnle (2011) бұлт мөлшерінің өзгеруі жеткілікті жылынуға әкелуі мүмкін екенін зерттеді және оның жалқы нәтижесі оңнан гөрі теріс болуы ықтимал екенін анықтады. Ең көп дегенде, бұл әсер жер бетіндегі температураны орташа есеппен мұзданудан жоғары көтеруі мүмкін. Бұлт көлемінің азаюының тағы бір ұсынысы, осы кезеңдегі ғарыштық сәулелердің азаюы бұлт мөлшерінің төмендеуімен байланысты. Алайда, бұл механизм бірнеше себептермен жұмыс істемейді, соның ішінде иондар бұлт конденсациясының ядролары сияқты бұлт түзілуін шектемейді және ғарыштық сәулелердің жаһандық орташа температураға тигізетін әсері аз екені анықталды. Бұлттар 3D жаһандық климат модельдеріндегі белгісіздіктің басты көзі болып табылады және бұлттардың кеңістіктік үлгілері мен бұлт түрлерінің өзгеруі осы кезеңде Жердің климатына қалай әсер еткендігі туралы әлі де консенсусқа қол жеткізілмеген.
If greenhouse gas concentrations did not compensate completely for the fainter Sun, the moderate temperature range may be explained by a lower surface albedo. At the time, a smaller area of exposed continental land would have resulted in fewer cloud condensation nuclei both in the form of wind blown dust and biogenic sources. A lower albedo allows a higher fraction of solar radiation to penetrate to the surface. Goldblatt and Zahnle (2011) investigated whether a change in cloud fraction could have been sufficiently warming and found that the net effect was equally as likely to have been negative as positive. At most the effect could have raised surface temperatures to just above freezing on average. Another proposed mechanism of cloud cover reduction relates a decrease in cosmic rays during this time to reduced cloud fraction. However, this mechanism does not work for several reasons, including the fact that ions do not limit cloud formation as much as cloud condensation nuclei, and cosmic rays have been found to have little impact on global mean temperature. Clouds continue to be the dominant source of uncertainty in 3 D global climate models, and a consensus has yet to be reached on how changes in cloud spatial patterns and cloud type may have affected Earth's climate during this time.
Хабблдің жергілікті кеңеюі
Гравитациялық байланыстағы жүйелердегі Хаббл заңының әсерін модельдеу және тікелей өлшеулер 2022 жылға дейін нақты нәтижелер бермесе де, орбиталық кеңеюдің жергілікті Хаббл кеңею жылдамдығының үлесі орбиталық эволюциядағы байқалған аномалияларды, соның ішінде әлсіз жас Күн парадоксын түсіндіруге мүмкіндік беретіні айтылды.
Although both simulations and direct measurements of effects of Hubble's law on gravitationally bound systems are returning inconclusive results as of 2022, it was noted that orbital expansion with a fraction of local Hubble expansion rate may explain the observed anomalies in orbital evolution, including a faint young Sun paradox.
Гайя гипотезасы
Гайя гипотезасы биологиялық процестердің әртүрлі теріс кері байланыс механизмдері арқылы Жер бетінде тұрақты климатты сақтап, осылайша өмір сүруге жағдай жасау үшін жұмыс істейтінін айтады. Органикалық көміртек циклы сияқты органикалық процестер климаттың күрт өзгеруін реттеуге көмектеседі және Жер бетінің өмір сүруге жарамды болып қалатыны болжанады, бірақ бұл гипотеза сыналып келді. Сонымен қатар, Жер бетінде өмір климаттың күрт өзгерістерінен өтті, оның ішінде "Мұздақ шар Жер" эпизодтары да болды. Осы зерттеу саласында Гайя гипотезасының күшті және әлсіз нұсқалары бар, бұл кейбір шиеленістерге әкеп соқты. Марстың орбиталық траекториясы, оны Күннен одан да алысқа жылжытып, жас Күннің сәулесінің әлсіздігі Марста өте жылы және ылғалды климаттың қалай қалыптасқанын түсіндіру қиын. Ғалымдар қай геоморфологиялық нысандарды жағалау сызықтарына немесе су ағынының белгілеріне, ал қайларын басқа механизмдерге жатқызуға болатынын талқылайды. Ертедегі Марстың орбиталық және күн жағдайларын ескере отырып, осы жер бетіндегі нысандар ағып жатқан сумен қалыптасқан болуы үшін, жер бетіндегі температураны кем дегенде 65 К-қа көтеру үшін парниктік эффект қажет болған. Жанартаулық газдардан шыққан CO2-H2 парнигі – ертедегі Марс үшін ұсынылған ықтимал сценарий. Метанның үзіліссіз шығарулары да мүмкін болған. Мұндай парниктік газдардың үйлесімдері қажет болып көрінеді, өйткені көмірқышқыл газының өзі, тіпті бірнеше бардан асатын қысымда да, ертедегі Марста сұйық судың болуы үшін қажетті температураны түсіндіре алмайды.
The Gaia hypothesis holds that biological processes work to maintain a stable surface climate on Earth to maintain habitability through various negative feedback mechanisms. While organic processes, such as the organic carbon cycle, work to regulate dramatic climate changes, and that the surface of Earth has presumably remained habitable, this hypothesis has been criticized as intractable. Furthermore, life has existed on the surface of Earth through dramatic changes in climate, including Snowball Earth episodes. There are also strong and weak versions of the Gaia hypothesis, which has caused some tension in this research area. It is unclear how Mars's orbital pattern, which places it even further from the Sun, and the faintness of the young Sun could have produced what is thought to have been a very warm and wet climate on Mars. Scientists debate over which geomorphological features can be attributed to shorelines or other water flow markers and which can be ascribed to other mechanisms. Given the orbital and solar conditions of early Mars, a greenhouse effect would have been necessary to increase surface temperatures at least 65 K in order for these surface features to have been carved by flowing water. A volcanically outgassed CO2 H2 greenhouse is a plausible scenario suggested recently for early Mars. Intermittent bursts of methane may have been another possibility. Such greenhouse gas combinations appear necessary because carbon dioxide alone, even at pressures exceeding a few bar, cannot explain the temperatures required for the presence of surface liquid water on early Mars.