понедельник, 8 апреля 2013 г.

Тайная история Солнечной системы. Часть 8. Солнце вчера и сегодня


    М. Вартбург

    «Так называемый «парадокс моло­дого Солнца» известен науке вот уже 40 лет. Его впервые сформулировали американские астрономы Саган и Мюллен в статье «Солнце и Земля: эволюция атмосферы и наземной температуры», опубликованной в журнале Science в 1972 году. В этой статье они показали, что существует некое странное расхождение между данными астрономии о прошлом на­шего Солнца и данными геологии о прошлом нашей Земли. 
    С одной сто­роны, если верить общепринятой мо­дели эволюции звезд солнечного ти­па, наше светило должно было на­чать свою жизнь как тускловатая звезда с яркостью на 25-30% мень­ше, чем сейчас, потому что по этой модели (подтвержденной многими данными) звезда солнечного типа должна разогреваться постепенно, по мере того, как все больше водорода в ее недрах превращается в гелий с вы­делением при этом все большей и большей энергии.
    Но если молодое Солнце было на 25% тусклее, чем сейчас, оно никак не могло согреть молодую Землю до тех температур, которые необходимы для существования жидких океанов. Та­кие океаны могли появиться (по мере разогревания Солнца) только 2,7 мил­лиарда лет назад, а до этого Земля должна была оставаться замерзшей.

http://www.delo.si/assets/media/picture/20130108/super-earth-hd-85512-alien-planet-2.jpeg 
    Между тем, согласно надежным дан­ным геологии, океаны на Земле по­явились уже 3,8 миллиарда лет назад, и земная поверхность всегда была до­статочно теплой. Более того, сегодня к этому можно еще добавить, что по данным, собранным в марсианских исследованиях, даже на Марсе, на­много более далеком от Солнца, чем Земля, 4 миллиарда лет назад тоже были жидкие океаны.
    Решение этого парадокса было пред­ложено Саганом и Мюлленом. Уже с середины XIX века было известно, что Землю и сейчас спасают от холодов парниковые газы. Сванте Аррениус в конце XIX века подсчитал, что если бы в атмосфере их не было, на Земле ца­рил бы изрядный холод. Земля отража­ет около 30% приходящего тепла, и ес­ли бы все это тепло беспрепятственно выходило в космос, среднегодовая температура на Земле была бы минус 18-19 градусов, что на целых 33 граду­са меньше, чем в действительности.
    Парниковые газы отражают это тепло обратно к Земле, тем самым нагревая ее. Исходя из этого, Саган и Мюллен предположили, что во времена моло­дого Солнца Землю спасал от обледе­нения какой-нибудь мощный парни­ковый газ. По их мнению, это мог быть аммиак, наполнявший тогдашнюю ат­мосферу. Однако вскоре было показа­но, что ультрафиолетовое излучение Солнца быстро разрушает молекулы аммиака в атмосфере, так что эта гипо­теза оказалась несостоятельной. Но са­ма идея - объяснить парадокс молодо­го Солнца действием парниковых га­зов - показалась ученым плодотвор­ной, и, перебрав другие возможности, большинство специалистов пришли к мысли, что это была смесь газов, глав­ным из которых был углекислый газ (СO2). Это тем более правдоподобно, что углекислый газ обильно выбрасы­вается при вулканических извержени­ях, а на молодой, раскаленной Земле такие извержения были явлением крайне частым и вполне могли напол­нить этим газом ее атмосферу.
    Другие специалисты указали, одна­ко, что для существования жидких океанов во времена молодого Солнца необходимо было, чтобы концентра­ция углекислого газа в атмосфере Зем­ли была примерно в 100 раз выше ны­нешней. Вулканические извержения вряд ли могли создать такую концент­рацию. Тогда было предложено допол­нение, согласно которому в атмосфере молодой Земли наряду с СO2 содер­жался также метан, а его «парниковая эффективность» много больше эффек­тивности углекислого газа. Но и это дополнение оказалось недостаточ­ным, потому что вскоре выяснилось, что метан быстро распадается под воздействием солнечных лучей, так что в отсутствие непрерывного по­полнения его содержание в атмосфере неизбежно спадает к нулю. Пришлось искать новых «пособников», и в 2009 году была выдвинута еще одна гипотеза, по которой вторым помощ­ником углекислого газа было соеди­нение углерода, кислорода и серы.
    Расчеты показали, что эти три газа, действуя совместно, могли обеспечить достаточную защиту молодой Земли от замерзания. Однако не надолго, пото­му что их концентрация в атмосфере не оставалась постоянной. Метан раз­рушался солнечными лучами, а что до углекислого газа, то он непрерывно поглощался океаном. В тот же океан непрерывно поступали ионы кальция и железа, вымываемые из скал эрозией и дождями. Соединяясь в воде с углекислым газом, эти ионы превраща­лись в карбонаты, которые оседали на океанское дно, унося с собой часть уг­лерода. Поэтому содержание углекис­лого газа в атмосфере тоже уменьша­лось, и неизбежно должен был насту­пить момент, когда парниковых газов уже не хватало, чтобы компенсировать тусклость молодого Солнца. Должно было наступить обледенение, и, не ви­дя иного выхода из парадокса, амери­канский геолог Киршвинк выдвинул гипотезу «Земли как снежного кома», по которой молодая Земля действи­тельно время от времени переживала полное обледенение.

Обледенение Земли (В лаборатории исследователя. Часть 4)
    Согласно гипотезе Киршвинка, каждое такое обледенение начина­лось, когда вулканы временно затиха­ли и парниковых газов становилось меньше. Но затем, за счет движения континентальных плит, открывались новые вулканические жерла, изверже­ния возобновлялись, выбрасывались новые массы углекислого газа, и по­скольку океаны были покрыты льда­ми и не могли поглощать этот газ, его содержание в атмосфере нарастало, он все больше отражал тепло Земли назад, к ее поверхности, она разогре­валась, льды таяли, поверхность океа­нов очищалась, они снова начинали поглощать углекислый газ и весь этот цикл повторялся снова. Но Солнце тем временем «взрослело» и раскаля­лось, так что парниковых газов требо­валось все меньше, и потому послед­нее такое полное обледенение, по расчетам Киршвинка, произошло 630 миллионов лет назад, после чего установились нынешние циклы ко­ротких ледниковых периодов и столь же коротких потеплений.

Земля 630 млн лет назад
    И если бы все кончилось на гипо­тезе Киршвинка! Но и она споткну­лась на вроде бы незначительном, но неустранимом препятствии. Оно со­стояло в том, что на полностью обле­деневшей Земле не могла сохранить­ся никакая жизнь, а между тем она, по данным палеонтологов, зароди­лась уже 3,5 миллиарда лет назад и с тех пор никогда не прерывалась. Уче­ные бросились «латать» гипотезу Киршвинка  предположением,   что Земля, мол, замерзала не полностью, на ней оставались «промоины», где и могла сохраниться жизнь, но многим специалистам это предположение показалось слишком искусственным, и тогда появилась совершенно новая теория, в которой основную роль иг­рали… космические лучи.
    Еще более полувека тому назад была высказана мысль, что эти потоки заря­женных частиц, врываясь в земную ат­мосферу, разбивают ее атомы и порож­дают множество ионов, которые, как уже давно было известно, становятся центрами конденсации воды, то есть способствуют образованию облаков; облака же отражают солнечное тепло и тем самым ведут к похолоданию. В пе­риоды усиленной активности Солнца испускаемый им поток частиц (сол­нечный ветер) становится сильней, он рассеивает часть космических лучей, и вызванное ими похолодание на Земле становится меньше. Поэтому была сформулирована еще одна гипотеза, призванная объяснить парадокс моло­дого Солнца. Согласно ей, замерзание молодой Земли вызывалось, в основ­ном, не тусклым Солнцем, а сильными космическими лучами. Солнце при своем обращении вокруг центра Галак­тики периодически проходит через ме­ста, где усиленно образуются новые звезды и потому испускаются усилен­ные потоки космических лучей. При каждом таком проходе на Земле долж­но было начинаться сильное похоло­дание, но поскольку молодое Солнце испускало более сильный солнечный ветер, оно препятствовало этому, а ес­ли еще к этому добавлялось даже не­большое количество парниковых га­зов, то суммарно Земля оставалась до­статочно теплой.
    К сожалению, эта гипотеза предска­зывала, что такие явления должны были повторяться периодически, при каждом прохождении Солнца в соот­ветствующем участке Млечного пути, но в земных отложениях древних пе­риодов такие периодические следы, несмотря на все поиски, не были об­наружены. Однако брошенное зерно все-таки проросло, хотя и в неожи­данном направлении: новые «борцы с парадоксом» выступили недавно с очередной, последней по счету теори­ей. Они предполагают, что молодое Солнце действительно выбрасывало повышенно сильный поток частиц, но не затем, чтобы бороться с косми­ческими лучами, а для того, чтобы вернуть Солнце на ту главную линию развития, на которой оно находится сейчас. По новой гипотезе, молодое Солнце родилось чуть «в стороне» от этой линии - в том смысле, что оно было немного массивнее, чем поло­жено в молодости обычным звездам такого типа.
    Поэтому оно было не ту­склее, а ярче обычного. Это значит, прежде всего, что никакого «парадок­са молодого Солнца» не было вообще. Но как Солнце стало таким, каково оно сейчас, то есть нормальным? Бо­лее массивное и яркое молодое Солн­це, говорит новая гипотеза, испускало более мощный поток заряженных ча­стиц. Этот поток уносил в космос часть массы Солнца. И так постепен­но оно уменьшалось в массе, пока не стало таким, как положено нормаль­ным звездам его типа, то есть верну­лось на главную линию развития.
    Но и здесь есть какое-то «но». Дей­ствительно, расчеты показывают, что для ликвидации «парадокса» молодое Солнце должно было быть на 2-5% массивнее нормального. Было бы оно меньше, опять возник бы парадокс, было бы больше - не смогло бы вер­нуться на главную линию. 

«Сильные ветры были зафиксированы возле массивных звезд и звезд с малой массой, но свидетельств мощной активности такого рода возле средних звезд, таких как Солнце, замечено не было» http://vzglyadzagran.ru/nauka/uchenye-schitayut-chto-davnym-davno-nashe-solnce-bylo-bolshe.html
    Но для то­го, чтобы солнечный ветер смог за прошедшее время унести такой избы­ток массы, он должен был быть в 1000 раз мощнее, чем сейчас. Могло ли это быть? Теория говорит, что такой силы «ветер» характерен лишь для очень массивных или очень легких звезд, но не для звезд «промежуточного типа», как Солнце. И вот компьютерные расчеты, которые намерены произвести ученые, призваны проверить, мог ли быть такой период сверхмощного ветра в истории молодого Солнца. И если мог, то где, скорее всего, он оста­вил следы, которые можно было бы обнаружить сегодня? Обнаружить - и раз-навсегда положить конец спорам вокруг «парадокса молодого Солнца»». (Михаил Вартбург «Солнце вчера и сегодня». «Знание-сила», № 3, 2013 год, стр. 99-101).

    [Федор Дергачев: Вышеприведенная статья свидетельствует, как мала была вероятность возникновения развитой (а не примитивной) жизни на Земле.]

    «Тайная история Солнечной системы». Часть 9. «Давно потерянные родственники Солнца. (С.П. Цварт)». http://artefact-2007.blogspot.ru/2013/05/blog-post.html

    На эту тему:
    «Тайная история Солнечной системы». Часть 2. (4 октября 2011 года).
    В лаборатории исследователя. Часть 4 (20 августа 2009 года).

3 комментария:

  1. Предложена новая модель, объясняющая парадокс слабого молодого Солнца

    "Ещё Карл Саган говорил, что в пору предполагаемого зарождения жизни на Земле 3,5 млрд лет назад светимость Солнца, согласно всем расчётам, должна была составлять 70% от нынешней. Однако обычные климатические модели при 30-процентном снижении инсоляции планеты дружно показывают вечное глобальное оледенение, что не очень подходит для образования жизни. Собственно, к этому и сводится весь парадокс слабого молодого Солнца: если тогда на планете было тепло, то почему сейчас мы не умираем от жары, и если сейчас мы вполне живы, то почему наши предки археи не замёрзли 3,5 млрд лет назад?

    Эрик Вольф (Eric Wolf) и его коллеги по Колорадскому университету в Боулдере (США) попробовали ответить на этот вопрос с использованием 3D-модели изменений климата Земли 2,8 млрд лет назад. От обычной одномерной, самой простой для расчётов она отличается тем, что не рассматривает систему «инсоляция — атмосфера — поверхность» как некую практически одномерную цепочку-колонну от нашего светила к поверхности Земли, а учитывает эту систему в трёх измерениях, добавляя в уравнения перемешивание атмосферных слоёв, горизонтальный перенос воздушных масс, разное альбедо для океанской поверхности, суши и морского льда полярных шапок, а также образование облаков, тоже существенно меняющее альбедо планеты. Модель, названная Community Atmospheric Model v. 3.0, само собой, оказалась очень сложной в обсчёте и потому потребовала длительных вычислений на суперкомпьютере «Янус».

    В итоге получилось, что простейшее решение, при котором климат выходит таким же мягким, как на сегодняшней Земле, требует присутствия в атмосфере 2% углекислого газа и 0,1% метана — в двадцать раз превосходящего первый газ по вкладу в парниковый эффект на единицу объёма...

    Позвольте, скажете вы, разумеется, они не рассматривали такой вариант, ведь вычисления г-на Вольфа относятся ко времени 2,8 млрд лет назад, то есть натурально к неоархею! А научного консенсуса о существовании оледенений в архее нет вовсе, и первым вполне достоверным считается гуронское, случившееся в следующую за археем геологическую эру — протерозой, через сотни миллионов лет после точки, которую моделировали авторы рассматриваемой работы. Иными словами, исходя из имеющихся данных, 2,8 млрд лет назад климат Земли не соответствовал в полной мере ни первому сценарию, обсчитанному ими, ни тем более второму — более прохладному, ибо и в плейстоценовом мире периодически случаются оледенения, в то время как 2,8 млрд лет назад их не было, что в теории должно соответствовать более мягким и стабильным погодам.

    Как бы то ни было, эти выводы весьма интересны. Предложенная модель позволяет рассматривать архей как период, требующий сравнительно небольших количеств парниковых газов для поддержания жизни. Да, 2% СO2 могут показаться жутковатыми на фоне нынешних 0,4%, но по сути это не слишком большие отклонения — человек вполне может дышать таким воздухом. Важно и то, что эти данные не противоречат сравнительно скромным следам названного газа в древних породах той поры.

    Другое дело, что до окончательного решения парадокса слабого молодого Солнца аналогичные выводы нужно получить и для периода более древнего, чем 2,8 млрд лет назад, да и сам факт существования метана в таких концентрациях не бесспорен. В архее, предположительно, не было озонового слоя (мало кислорода), а значит, ультрафиолет разрушал метан в атмосфере с высокой интенсивностью, так что гарантировать его наличие там в объёмах, потребных для мощного парникового эффекта, нельзя". (10 июля 2013 года, 18:41). http://compulenta.computerra.ru/zemlya/klimatologiya/10007851/

    ОтветитьУдалить
  2. Телескоп «Кеплер» выявил «сверхвспышки» у звёзд, похожих на Солнце

    "Наша звезда считается относительно спокойным светилом: какими бы мощными ни были вспышки и какими бы интенсивными ни были выбросы вещества в космическое пространство, Солнце всё равно ведёт себя очень смирно. До сих пор земляне, вероятно, даже не догадывались, насколько покладист характер у нашего светила по сравнению с другими звёздами.

    Орбитальный телескоп «Кеплер», основная функция которого — поиск экзопланет, подкинул мировой астрофизике ещё одну непростую загадку. С момента начала своей работы телескоп зафиксировал на других звёздах — похожих по своим параметрам на наше Солнце — 365 супервспышек, мощность которых в миллион раз превосходит все, когда-либо наблюдавшиеся на Солнце.

    В Млечном пути в избытке присутствуют звёзды, проявляющие гораздо большую активность. В данном случае важно именно «солнцеподобие» звёзд, на которых происходят настолько мощные взрывы.

    Что приводит в действие такие механизмы, пока совершенно непонятно. Как не вполне понятна и перспектива аналогичного катаклизма на поверхности Солнца, хотя сейчас учёные не склонны полагать, что на поверхности нашей звезды могло происходить что-либо подобное. Потому что если бы такое событие имело место быть, оно привело бы к радикальным изменениям в химическом составе атмосферы Земли, за чем последовало бы вымирание всего живого на планете.

    Подобные массовые вымирания биологических видов на Земле случались, однако их, как правило, связывают либо со столкновениями с астероидами, либо с резко повышавшейся вулканической активностью, вызывавшей фатальные изменения в климате.

    Одна из гипотез, объясняющих сверхмощные вспышки на других солнцеобразных звёздах, предполагает, что вплотную к таким звёздам располагаются гигантские газовые планеты, наводящие значительные искажения в магнитное поле своих звёзд, что и приводит ко взрывам. «Кеплер», однако, выявил такие «горячие Юпитеры» на орбитах всего лишь десяти процентов звёзд, дававших сверхвспышки". (17 мая 2012). http://www.computerra.ru/30446/

    [Ф.Д. https://plus.google.com/103263750784622441418/ ]

    ОтветитьУдалить
  3. "Круги по воде" в Интернете

    Перепост 17 апреля 2015 года: http://news-said-joker-peskin.blogspot.ru/2015/04/blog-post_17.html

    ОтветитьУдалить