Тайная история Солнечной системы. Часть 2

Часть 1. http://artefact-2007.livejournal.com/30078.html

  Федор Дергачев

    От протерозоя к палеозою

    «Когда официальная наука «невнятно» упоминает какую-либо тему, это означает, как правило, что есть скрытые «нестыковки». Следовательно, надо искать дополнительные факты. И в данном случае они нашлись.

    Помогло мне то, что я интересуюсь динамикой солнечной активности и ее влиянием на климат. И наткнулся на очень интересный факт с одного биологического сайта: «Около 4,6 млрд. лет назад излучение Солнца было на 25-30 процентов слабее, чем сейчас».

    «Простая логика» подсказывает, что с ростом излучения Солнца должна расти и температура атмосферы Земли. Но все дело в том, что когда анализируешь функционирование «Механизма Артефакта», «простая логика» не срабатывает. 
    Например, читаешь статьи, аналогичные следующей:

   Земля возникла в одно мгновение?

   «Новые геологические данные свидетельствуют о том, что Земля практически мгновенно – в геологическом масштабе времени – возникла такой, какой мы ее знаем теперь, с континентами и омывающими их океанами…
    В 2001 году проф. Стивен Можис (Stephen Mojzsis) вместе с коллегами из университета Колорадо опубликовал результаты… исследования, результаты которого позволяют сделать вывод о наличии водоемов на поверхности Земли примерно 4,3 млрд. лет назад. Его результаты приводят к обескураживающему результату - жизнь на Земле могла возникнуть гораздо раньше, чем считалось до сих пор. «Земная кора, океаны и атмосфера возникли на планете практически сразу, - комментирует проф. Можис, - а, следовательно, практически сразу возникла и среда, подходящая для развития жизни». (21ноября 2005 года, 01:04, Мск).  

   И становится как-то не по себе. Впрочем, не буду повторяться – загадки возникновения Солнечной системы я анализировал в публикации «Неудобные вопросы Станислава Лема». Часть 1.  

   Дж. Вэлли в статье «История юной Земли», опубликованной в журнале «В мире науки» № 1, январь 2006 года, писал о «прохладных температурах на поверхности Земли и воздействии древних океанов 4,2 млрд. лет назад». Но после периода «Второй тяжелой бомбардировки» (Late Heavy Bombardment – LHB) 3,8 млрд. лет назад на Земле надолго установилась теплая температура, способствовавшая спокойному развитию первых бактерий.

    Шло время, излучение Солнца не торопясь, возрастало. Бактерии в изобилии заселили Землю. И так происходило один миллиард 700 миллионов лет».

    Палеопротерозойская эра: первый ледниковый период 

    Но в разгар палеопротерозойской эры 2,5 – 2,4 млрд. лет назад Землю сковал первый ледниковый период, на котором хочу остановиться подробнее. Цитирую публикацию «Неудобные вопросы Станислава Лема», Часть 4:

 

    Кислородный катаклизм

    «2,5 млрд лет назад жизнь на Земле только зарождалась. Такие сложные организмы, как растения и животные, не говоря уже о человеке, еще не появились. Но планета была в изобилии заселена микроскопическими бактериями, которые отлично чувствовали себя в умеренном климате и богатой питательными веществами окружающей среде. Облако нагретого в нижних слоях атмосферы метана ловило тепло солнечных лучей, создавая райские условия для жизни микробов, которые сделали своим домом примитивную планету Земля.

    Но эра господства бактерий, длившаяся миллиард лет, неожиданно оборвалась. Случилась первая глобальная катастрофа в истории, разом переменившая строение биосферы. Виновниками «переворота» стали маленькие цианобактерии.

    Геологи веками исследуют «шрамы» и изменения на теле Земли и не находят никаких признаков планетарного катаклизма на поверхности Земли: ни падение огромного метеора, ни извержение вулкана не могли вызвать столь кардинальное и практически мгновенное (по сравнению с периодом становления) изменение климата. Средняя температура, вполне сопоставимая с нашим континентальным климатом, резко упала до – 50 градусов Цельсия и ввергла планету в ледниковый период. Эта перемена в экологии планеты вызвала глобальную гибель… живых существ, угрожая и вовсе уничтожить жизнь на Земле».

    Первый ледниковый период дал для развития жизни больше, чем миллиард лет спокойного развития.

    И снова неторопливое развитие жизни. Излучение Солнца снова возросло. И так происходило еще один миллиард 700 миллионов лет (какое-то «дежа вю», не правда ли?)

    Но повышения атмосферной и поверхностной температур не давали скачка в эволюции жизни. И тогда в Солнечной системе начались потрясения, а Землю начиная с периода 750 млн лет назад снова периодически сковывали ледники, о которых я упомянул выше. 

    Результатом стала Кембрийская «революция» и, как следствие, лавинообразное возникновение новых видов. (20 августа 2009 года. Федор Дергачев «В лаборатории исследователя. Часть 4»). http://artefact2007.wordpress.com/2009/08/20/в-лаборатории-исследователя-часть-4/

    Ключевые вопросы в моих рассуждениях следующие:

    1. Как получилось, что миллиарды лет назад на Земле было тепло, несмотря на гораздо меньшую светимость Солнца? (Это явление получило название «парадокс слабого (тусклого) молодого Солнца»).

    2. Почему с ростом светимости Солнца  (за последние 4,5 миллиарда лет она возросла на 25-30 %) на Земле стали случаться, а в последние миллионы лет все более участились ледниковые периоды?

    Ответ на второй вопрос я попытался дать в статье «В лаборатории исследователя».

    А вот вокруг первого вопроса началась нешуточная исследовательская суета, которая чрезвычайно меня заинтересовала.  Никогда ранее так открыто не обсуждался вопрос, ранее практически скрытый от независимых исследователей.

    И эта суета не случайна. Ибо ответ даст ключ к пониманию работы «Механизма Артефакта».

    Геологи объяснили парадокс тусклого Солнца

    «Геологам удалось решить так называемый парадокс тусклого Солнца. Статья ученых появилась в журнале «Nature Geoscience», а ее краткое изложение приводит «Nature News».

    За последние 4,5 миллиарда лет светимость Солнца возросла примерно на четверть. Несмотря на распространенность парниковых газов на заре появления жизни, из-за слабости светила Земля должна была замерзнуть. Парадокс заключается в том, что этого не произошло. 

    В рамках новой работы ученые провели анализ отложений, относящихся к Архейской эре, на наличие азота. Используя тот факт, что изотопные составы азота, побывавшего в атмосфере, и истинно "геологического" несколько отличаются, ученые смогли выяснить динамику изменения содержания этого газа в атмосфере.

    В результате им удалось установить, что в период с 3,8 по 2,5 миллиарда лет назад значительная масса азота биологическим путем из атмосферы попала в грунт и оттуда, как полагают исследователи, в мантию. Исходя из этих данных, геологи смогли рассчитать, что в прошлом атмосферное давление Земли было значительно выше нынешнего.

    Повышенное давление, в свою очередь, приводило к тому, что парниковые газы лучше задерживали получаемое Землей тепло. Для сравнения, если атмосферное давление повысить до значений прошлого сейчас, то температура на поверхности вырастет на 4,4 градуса по Цельсию.

    Учитывая данные о содержании парниковых газов в атмосфере в прошлом, геологи пришли к выводу, что температура должна была быть на 11-12 градусов выше сегодняшнего значения. По мнению исследователей, этой разницы было достаточно для того, чтобы "исправить" недостаток исходящего от Солнца тепла». (16.11.2009, 12:55:58). http://lenta.ru/news/2009/11/16/nitrogen/

    Keeping the young Earth cosy 

    Fluctuating nitrogen levels may help to keep Earth habitable across eons.

    Quirin Schiermeier 

    «Nitrogen now stored in the planetary crust and mantle may have prevented the early Earth from freezing, scientists suggest. The study lends weight to the idea that on geological timescales atmospheric pressure helps to regulate climate and habitability of Earth-like planets.

    When the Earth was born around 4.5 billion years ago, the Sun was a great deal weaker than today. Two billion years on, the budding planet still received only some 80% of today's solar heat.

    This has been sufficient to support the evolution of life; but if the young Earth's overall heat balance was roughly similar to what it is now, heat loss would have put much of the planet into deep freeze. Why this didn't happen is a long-standing mystery known as the 'faint young Sun paradox'.

    None of the previously proposed solutions, including high ammonia and carbon dioxide abundance, are sufficient to resolve the paradox. Now Colin Goldblatt, a postdoctoral fellow at NASA's Ames Research Center in Moffett Field, California, and colleagues, suggest that nitrogen may have been responsible.

    The team examined the isotopes of nitrogen in sediment and rock. Nitrogen that was formerly in the atmosphere has a different isotopic signature than nitrogen that has always been buried. They found that since the Archaean era, 2.5 billion to 3.8 billion years ago, substantial amounts of nitrogen of atmospheric origin have been biologically sequestered in sediments and rocks. Using their data, they estimate that the Earth's crust and mantle store almost twice as much nitrogen as is now in the air. The extra pressure of all that extra gas may have kept the early Earth warm enough to escape extreme glaciation, the team report in Nature Geoscience1...

        Contents under pressure

    Nitrogen, which makes up around 75% of the air we breathe, is not a greenhouse gas itself. But larger amounts of nitrogen in the air also gives rise to higher atmospheric pressure. This increases the amount of heat that the lower atmosphere absorbs after the Sun's rays are reflected from the Earth's surface. This mechanism, known as 'pressure broadening', amplifies the natural greenhouse effects of carbon dioxide, water vapour and other gases.

    "This is a terrific thought experiment tied to rigorous analysis of the nitrogen cycle," says Timothy Lyons, a biogeochemist at the University of California, Riverside, who was not involved in the study.

    "The basic idea — that nitrogen is fixed biologically and buried with organic matter and, through subduction, transferred to the mantle — is clever and clean. The question then becomes one of constraining when and why this sink turned on, and how the world responded."

    The team used a special climate model to calculate the effect of increased nitrogen in the young Earth's atmosphere. Around 2.5 billion years ago, when there was 25 times more carbon dioxide in the atmosphere than there is now, twice as much nitrogen in the atmosphere would have caused a warming of 4.4 °C — enough to account for the faint young Sun paradox, the scientists found.

    The study sheds light on the "fascinating problem" of why Earth has been continuously habitable throughout its lifetime, says Euan Nisbet, a geologist at Royal Holloway, University of London. "There is no final evidence, but increased nitrogen is a very plausible explanation of that rather odd fact," he says... (15 November 2009).

    Corrected 24 November 2009:

    An earlier version of this story incorrectly stated that twice as much nitrogen in the air 2.5 billion years ago would have caused a warming of 12-15 °C. This figure refers to the absolute surface temperature — not the temperature change due to higher nitrogen levels, which is predicted to be 4.4 °C». 

    References.    Goldblatt, C. et al. Nat. Geosci. advance online publication doi:10.1038/ngeo692 (2009).
    Li, K-F., Pahlevan, K., Kirschvink, J.L. & Yung, Y.L. Proc. Natl Acad. Sci. USA 106, 9576-9579 doi:10.1073/pnas.0809436106 (2009). http://www.nature.com/news/2009/091115/full/news.2009.1086.html

    Представлено возможное решение парадокса слабого молодого Солнца

    «Рассмотрев характеристики звезды, напоминающей Солнце на раннем этапе его эволюции, астрофизики установили возможный механизм повышения температуры поверхности Земли в архее.

    Около четырех миллиардов лет назад светимость Солнца имела на 25–30 процентов меньшее значение, чем сейчас. В результате температура на нашей планете должна была серьезно снижаться, однако вода в жидком состоянии на ее поверхности, как показывают геологические исследования, все же сохранялась. Это несоответствие называют парадоксом слабого молодого Солнца.

    Обычно аномальное потепление объясняют высокой концентрацией парниковых газов в атмосфере молодой Земли, но у этой гипотезы есть свои слабые стороны: так, совсем недавно ученые из Дании и США показали, что содержание углекислого газа не могло превышать 1 000 частей на миллион. Таких значений для поддержания высокой температуры недостаточно.

    Авторы рассматривали другой возможный способ увеличения температуры, связанный с изменением потока галактического космического излучения, проникающего в атмосферу Земли. Известно, к примеру, что выбросы корональной массы на Солнце вызывают кратковременное понижение интенсивности галактических космических лучей (см. эффект Форбуша). В прошлом году датские специалисты экспериментально доказали, что этот эффект может оказывать влияние на образование облаков, при меньшей плотности которых поверхность Земли, разумеется, более эффективно нагревается излучением Солнца.

    Амплитуду возможных изменений температуры ученые оценили на примере находящейся на расстоянии около 30 световых лет от нас звезды Каппа1 Кита, которая по своей металличности, эффективной температуре, радиусу и другим параметрам чрезвычайно близка к Солнцу. При этом ее возраст оценивается всего в 700 млн лет, что соответствует возрасту нашей звезды, уменьшенному на четыре миллиарда лет. 

Сравнение частоты возникновения вспышек. Пунктирная линия в центре соответствует наблюдениям Солнца, по своим условиям приведенным в соответствие с данными по Каппе1 Кита. (Иллюстрация авторов работы).

    На первых этапах своего развития звезды проявляют бóльшую активность, и расчеты авторов свидетельствуют о том, что только за счет эффективного экранирования увеличенной гелиосферой планета, обращающаяся по орбите вокруг Каппы1 Кита, встречала бы на 90% менее интенсивный поток галактических космических лучей, чем Земля. Снижение интенсивности еще на 50% обеспечил бы эффект Форбуша.

    Результирующее повышение температуры поверхности планеты должно было составлять около восьми градусов, чего вполне достаточно для разрешения парадокса слабого молодого Солнца».

    Препринт статьи можно скачать с сайта arXiv. Подготовлено по материалам Technology Review. (05 апреля 2010 года, 15:48). http://science.compulenta.ru/520671/  

    A Solution to the Faint Young Sun Paradox

    «The strange behavior of a nearby, young, sun-like star could help solve one of the outstanding mysteries in astronomy.

    When it comes to the origin of life on Earth some four billion years ago, there's a problem. At that time, the young Sun was approximately 75 percent dimmer than it is now. That would have made the Earth significantly colder, in fact, too cold for liquid water.

    However, we know that liquid water is essential for life and we know from the fossil record that life existed on Earth at the time. Liquid water must have been present. So what was keeping the water warm?» 

    Ref: arxiv.org/abs/1003.6043: How Did The Sun Affect The Climate When Life Evolved On The Earth? - A Case Study On The Young Solar Twin Kappa Ceti. (04/02/2010). http://www.technologyreview.com/blog/arxiv/25002/

    Парадокс слабого молодого Солнца остаётся неразрешённым

    «Двое сотрудников Научно-исследовательского центра Эймса (США) раскритиковали предложенный в прошлом году вариант решения парадокса слабого молодого Солнца.

    Суть парадокса, напомним, заключается в том, что климат на Земле архейской эры, стартовавшей более трёх миллиардов лет назад, был не менее тёплым, чем нынешний. Этот факт плохо согласуется с естественным изменением светимости Солнца, которая за время существования нашей планеты должна была увеличиться на 25–30 процентов. Если бы в архей попала современная Земля, то ледники, как предполагают климатологи, распространились бы по её поверхности до экватора.

    Ранее считалось, что температура на поверхности поддерживалась за счёт парникового эффекта, а концентрация диоксида углерода в атмосфере Земли в архее была чрезвычайно высокой. Однако в 2010-м учёные из США и Дании показали, что доля CO2 не превосходила 1 000 частей на миллион по объёму. Это значение менее чем в три раза превосходит современное (387 частей на миллион).

    В своей работе датско-американская группа, возглавляемая Миником Розингом (Minik Rosing) из Копенгагенского университета, выделила три причины роста температуры в архее. Первой стало увеличение площади океанов (поскольку их поверхность темнее, чем у континентов, излучение Солнца должно было поглощаться с большей эффективностью), второй — уменьшение доли отражаемого облаками в атмосфере солнечного излучения, третьей — парниковый эффект.

    По мнению авторов нового исследования, их предшественники не учли некоторые важные факторы. Облака, к примеру, могут не только отражать солнечное излучение, охлаждая поверхность Земли, но и способствовать нагреву — усиливать (если речь идёт о высоких облаках) парниковый эффект. Кроме того, гипотеза о меньшей отражательной способности архейских облаков имела ненадёжное обоснование: утверждалось, что причиной изменений стал недостаток ядер конденсации в атмосфере, основным источником ядер был биогенный диметилсульфид, а выделяют это вещество только эукариоты. На самом деле диметилсульфид могут вырабатывать и безъядерные микроорганизмы, и в наше время он отвечает за формирование лишь небольшой части ядер конденсации. Если бы процесс образования ядер сильно зависел от деятельности эукариот, в момент появления последних на Земле — 1,6–2,1 млрд лет назад — произошло бы заметное похолодание, но о нём климатологам ничего не известно. 

«Углеводородная дымка» на краях диска Титана, за которым виднеется Тефия (иллюстрация НАСА / JPL / SSI / J. Major)

    Ошибки, вероятно, были допущены и при расчёте парникового эффекта. Г-н Розинг и его коллеги не приняли во внимание тот факт, что присутствие в атмосфере CO2 и CH4 в сравнимых и высоких концентрациях (равных, скажем, упомянутой выше тысяче частей на миллион по объёму) вызовет образование стратосферной «углеводородной дымки», которая даст сильный охлаждающий эффект.

    Отсюда следует, что рассмотренный группой Миника Розинга вариант нельзя назвать полным и корректным решением парадокса. Разработанная учёными модель просто не может воспроизвести нужную амплитуду изменений климата.

    Полная версия отчёта, подготовленного специалистами Научно-исследовательского центра Эймса, будет опубликована в журнале Nature; препринт статьи можно скачать с сайта arXiv. Подготовлено по материалам Technology Review». (31 мая 2011 года, 18:29).   http://science.compulenta.ru/613576/   

    Faint Young Sun Paradox Not Solved, Says NASA

    «Last year, scientists claimed to have solved the faint young Sun paradox. They were wrong. Now the paradox is back and more puzzling than ever.

    Liquid water has flowed on Earth for some 3.8 billion years, since not long after the planet formed. The evidence comes from rocks that date from that period which seem to have formed under the action of water.

    But this presents palaeontologists and geologists with a problem. At that time, the Sun was some 30 per cent dimmer than it is today and would not have provided enough heat to keep water liquid on the surface.

    This is known as the faint young Sun paradox and it has puzzled scientists since the 1970s when astronomers first pointed it out. But it didn't really worry anybody. The obvious solutions are that the Earth was warmer because it reflected less heat from the Sun, it had a lower albedo, or that it was victim of a runaway greenhouse effect. One of these must be right but nobody was sure which.

    But last year, a group of researchers claimed to have solved the paradox. They said that the make up of rocks from that time exclude the possibility that the atmosphere was rich in a greenhouse gas such as methane or carbon dioxide.

    Instead, the Earth must have had a lower albedo and therefore must have absorbed more heat from the Sun than it does today. The lower albedo, they argued, was the result of fewer biological particles in the atmosphere. These nucleate water droplet formation. So without them there would be fewer clouds and less sunlight reflected into space.

    These guys published their solution in Nature and the problem was thought to have been solved. (We looked at  another mechanism that may have prevented cloud formation in the early atmosphere about a year ago.)

    But today Colin Goldlatt and Kevin Zahnle at NASA's Ames Research Center in Moffett Field re-ignite the controversy.

    They've looked at this problem again and studied the effect of fewer clouds. They say that however you do the numbers, this could not have made the Earth hot enough to allow the existence of liquid water.

    Clouds have two effects. In general, high clouds trap heat while low clouds reflect it. "Therefore the absolute upper bound on warming by decreasing cloud reflectivity would be found by removing low clouds entirely," they say.

    When you do that in a computer model of the Earth's early climate, you get no more than half the heating necessary to maintain liquid water on the surface.

    "We show that, even with the strongest plausible assumptions, reducing cloud and surface albedos falls short by a factor of two of resolving the paradox," say Goldlatt and Zahnle.

    So the paradox is alive and well; and more puzzling than ever. Last year we discovered that a greenhouse effect can't explain the paradox. Now we know that a lower albedo wouldn't have done the trick either.

    So the race is back on to nail this problem once and for all. Get your thinking caps on».

    Ref: arxiv.org/abs/1105.5425: Faint Young Sun Paradox Remains. (05/31/2011). http://technologyreview.com/blog/arxiv/26825/ 

    «Тайная история Солнечной системы». Часть 3. http://artefact-2007.blogspot.com/2011/10/3.html

    На эту тему:

    «Парадокс слабого молодого Солнца» http://ru.wikipedia.org/wiki/Парадокс_слабого_молодого_Солнца
    «Парадокс тусклого Солнца снова стал загадкой» http://lenta.ru/news/2011/05/31/sun/
    «В лаборатории исследователя. Часть 4». http://artefact2007.wordpress.com/2009/08/20/в-лаборатории-исследователя-часть-4/