Введение
Парадокс, связанный с водой на ранней Земле
Парадокс слабого молодого Солнца, или проблема слабого молодого Солнца, описывает кажущееся противоречие между наблюдениями существования жидкой воды на ранней Земле и астрофизическим прогнозом, согласно которому светимость Солнца в ту эпоху была бы всего на 70 процентов ниже, чем в современную. Суть парадокса заключается в следующем: при светимости молодого Солнца, составляющей лишь 70% от современной, можно было бы ожидать полного замерзания Земли, однако имеются свидетельства наличия на ранней Земле жидкой воды и существования жизни. Этот вопрос был впервые поднят астрономами Карлом Саганом и Джорджем Малленом в 1972 году. Предлагаемые решения парадокса учитывают парниковый эффект, изменения планетарной отражательной способности (альбедо), астрофизические факторы или их комбинации. Преобладающая теория утверждает, что наибольший вклад в потепление Земли внес парниковый газ – углекислый газ.
Солнечная эволюция
Модели строения звёзд, особенно стандартная солнечная модель, предсказывают увеличение яркости Солнца. Это увеличение яркости вызвано уменьшением числа частиц на единицу массы в результате ядерного синтеза в ядре Солнца: четыре протона и электрона превращаются в одно ядро гелия и два электрона. Меньшее количество частиц оказывает меньшее давление. Сжатие под действием огромной гравитации предотвращается повышением температуры, которое является как причиной, так и следствием более высокой скорости ядерных реакций. Более поздние моделирования показывают, что в настоящее время Солнце примерно в 1,4 раза ярче, чем 4,6 миллиарда лет назад (млрд лет), и что увеличение яркости значительно ускорилось. На поверхности Солнца большая мощность ядерного синтеза означает более высокую солнечную светимость (за счёт незначительного увеличения температуры и радиуса), что на Земле называется радиативным воздействием.
Парниковые газы
Саган и Маллен предположили в своих описаниях парадокса, что его можно разрешить высокими концентрациями газа аммиака, NH3. Было предложено (также Саганом), что фотохимическая дымка могла предотвратить разрушение аммиака и позволить ему продолжать действовать как парниковый газ в этот период времени; однако к 2001 году эта идея была протестирована с использованием фотохимической модели и отвергнута. Более того, считается, что такая дымка охлаждала поверхность Земли под собой и нивелировала парниковый эффект. Около 2010 года ученые из Университета Колорадо возродили эту идею, утверждая, что гипотеза об аммиаке является жизнеспособным фактором, если дымка образовала фрактальную структуру. В настоящее время считается, что в этот период пониженного солнечного излучения углекислый газ присутствовал в более высоких концентрациях. Впервые она была предложена и протестирована в рамках эволюции атмосферы Земли в конце 1970-х годов. Атмосфера, содержащая примерно в 1000 раз больше современного атмосферного уровня (или PAL), оказалась согласованной с эволюционным путем углеродного цикла Земли и эволюцией Солнца. Основным механизмом достижения таких высоких концентраций CO2 является углеродный цикл. В больших временных масштабах неорганическая ветвь углеродного цикла, известная как карбонатно-силикатный цикл, отвечает за определение распределения CO2 между атмосферой и поверхностью Земли. В частности, в период низких температур поверхности осадки и скорость выветривания уменьшались бы, что позволяло бы накапливать углекислый газ в атмосфере в течение 0,5 миллиона лет. В частности, используя 1D-модели, которые представляют Землю как единую точку (вместо чего-то, изменяющегося в трех измерениях), ученые определили, что на 4,5 Га, при Солнце, тусклом на 30%, для поддержания температуры поверхности выше нуля требуется минимальное парциальное давление CO2 в 0,1 бар; 10 бар CO2 было предложено в качестве правдоподобного верхнего предела. Уровень углекислого газа до сих пор остается предметом дискуссий. В 2001 году Слип и Занле предположили, что усиленное выветривание морского дна на молодой, тектонически активной Земле могло снизить уровень углекислого газа. Затем, в 2010 году, Розинг и др. проанализировали морские осадочные породы, называемые полосатыми железными формациями, и обнаружили большое количество различных богатых железом минералов, включая магнетит (Fe3O4) – окисленный минерал, наряду с сидеритом (FeCO3) – восстановленным минералом, и установили, что они образовались в первой половине истории Земли (а не позднее). Относительное совместное существование минералов указывает на аналогичный баланс между CO2 и H2. В своем анализе Розинг и др. связали атмосферные концентрации H2 с регуляцией посредством биологического метаногенеза. Следовательно, анаэробные одноклеточные организмы, производящие метан (CH4), могли способствовать потеплению наряду с углекислым газом.
Приливная нагрев
Луна изначально была намного ближе к Земле, которая вращалась быстрее, чем сейчас, что приводило к большему приливному нагреву, чем наблюдается сегодня. Первоначальные оценки показывали, что даже ранний приливный нагрев был бы минимальным, возможно, 0,02 ватт на квадратный метр. (Для сравнения, солнечная энергия, достигающая атмосферы Земли, составляет около 1000 ватт на квадратный метр.) Однако, примерно в 2021 году группа ученых под руководством Рене Хеллера в Германии утверждала, что такие оценки были упрощенными, и что в некоторых правдоподобных моделях приливный нагрев мог вносить вклад порядка 10 ватт на квадратный метр, увеличивая температуру равновесия до пяти градусов Цельсия в течение 100 миллионов лет. Такой вклад частично решил бы парадокс, но его недостаточно для самостоятельного решения парадокса слабого молодого Солнца без дополнительных факторов, таких как парниковый эффект. Однако, основное предположение о формировании Луны чуть за пределами предела Роша не является окончательным: намагниченный диск обломков мог переносить угловой момент, что привело бы к формированию менее массивной Луны на более высокой орбите.
Космические лучи
В то же время, альтернативная точка зрения, выдвинутая израильско-американским физиком Ниром Шавивом, использует климатологическое влияние солнечного ветра в сочетании с гипотезой датского физика Хенрика Свенсмарка об охлаждающем эффекте космических лучей. По мнению Шавива, на ранних этапах своего существования Солнце излучало более мощный солнечный ветер, который оказывал защитное действие от космических лучей. В ту эпоху умеренного парникового эффекта, сопоставимого с современным, было бы достаточно для объяснения в основном свободной от льда Земли. Свидетельства более высокой активности раннего Солнца были обнаружены в метеоритах. Температурный минимум около 2,4 миллиарда лет назад связан с модуляцией потока космических лучей переменной скоростью звездообразования в Млечном Пути. Снижение влияния Солнца впоследствии привело к усилению воздействия потока космических лучей, что, как предполагается, связано с климатическими колебаниями.
Потеря массы от Солнца
Несколько раз предлагалось, что потеря массы слабым молодым Солнцем в виде более интенсивных солнечных ветров могла компенсировать низкие температуры, обусловленные парниковым эффектом. В рамках этой концепции, раннее Солнце пережило продолжительный период повышенной активности солнечного ветра. На основании данных об экзопланетах, это привело к потере массы Солнцем в 5–6 процентов за время его существования, что обеспечило более стабильный уровень солнечной светимости (поскольку у раннего Солнца было больше массы, что приводило к большей выработке энергии, чем предполагалось). Для объяснения теплых условий в архейском эоне эта потеря массы должна была произойти в течение интервала примерно в один миллиард лет. Данные об ионной имплантации, полученные из метеоритов и лунных образцов, показывают, что повышенный поток солнечного ветра продолжался лишь около 100 миллионов лет. Наблюдения за молодыми звездами, подобными π1 Большой Медведицы, соответствуют этой скорости снижения интенсивности звездного ветра, что позволяет предположить, что более высокая скорость потери массы сама по себе не может разрешить этот парадокс.
Изменения в облаках
Если концентрация парниковых газов не компенсировала бы полностью ослабление Солнца, умеренный температурный диапазон можно объяснить более низким альбедо поверхности. В то время меньшая площадь открытой континентальной суши привела бы к уменьшению количества ядер конденсации облаков, как переносимой ветром пыли, так и биогенного происхождения. Более низкое альбедо позволяет большей части солнечной радиации проникать к поверхности. Голдблатт и Занле (2011) исследовали, могло ли изменение облачности оказать достаточное согревающее воздействие, и обнаружили, что суммарный эффект был в равной степени вероятен как положительным, так и отрицательным. В лучшем случае это могло поднять среднюю температуру поверхности лишь немного выше точки замерзания. Другой предложенный механизм уменьшения облачного покрова связывает снижение потока космических лучей в этот период с уменьшением облачности. Однако этот механизм не работает по нескольким причинам, включая тот факт, что ионы ограничивают образование облаков в меньшей степени, чем ядра конденсации облаков, и что космические лучи оказывают незначительное влияние на глобальную среднюю температуру. Облака по-прежнему остаются основным источником неопределенности в трехмерных глобальных климатических моделях, и до сих пор не достигнуто согласия относительно того, как изменения в пространственном распределении облаков и их типе могли повлиять на климат Земли в этот период.
Локальное расширение Хаббла
Хотя как моделирование, так и прямые измерения эффектов закона Хаббла на гравитационно связанные системы дают неоднозначные результаты по состоянию на 2022 год, было отмечено, что расширение орбит, происходящее с долей локальной скорости расширения Хаббла, может объяснить наблюдаемые аномалии в эволюции орбит, включая парадокс слабого молодого Солнца.
Гипотеза Гайи
Гипотеза Гайи утверждает, что биологические процессы работают над поддержанием стабильного климата на поверхности Земли для поддержания обитаемости посредством различных механизмов отрицательной обратной связи. Хотя органические процессы, такие как цикл органического углерода, способствуют регулированию резких климатических изменений, и, предположительно, поверхность Земли оставалась пригодной для жизни, эта гипотеза подвергалась критике как труднодоказуемая. Более того, жизнь существовала на поверхности Земли в условиях значительных климатических изменений, включая периоды «Земли-снежка». Существуют как сильные, так и слабые версии гипотезы Гайи, что вызывает определенную напряженность в этой области исследований. Неясно, каким образом орбита Марса, удаляющая его еще дальше от Солнца, и слабость молодого Солнца могли привести к возникновению, как считается, теплого и влажного климата на Марсе. Ученые спорят о том, какие геоморфологические образования можно объяснить береговыми линиями или другими следами водного потока, а какие – другими механизмами. Учитывая орбитальные и солнечные условия раннего Марса, для повышения температуры поверхности как минимум на 65 К потребовался бы парниковый эффект, чтобы текущая вода могла сформировать наблюдаемые поверхностные структуры. Недавно предложенным правдоподобным сценарием для раннего Марса является парниковый эффект, вызванный вулканическими выбросами CO2 и H2. Периодические выбросы метана также могли быть возможны. Такие комбинации парниковых газов представляются необходимыми, поскольку один только углекислый газ, даже при давлении, превышающем несколько бар, не может объяснить температуры, необходимые для существования жидкой воды на поверхности раннего Марса.