Słaby Młoda Sun Paradox odnosi się do pozornej sprzeczności między obserwacją ciekłej wody wcześnie w historii Ziemi i astrofizycznych szacunków sugeruje, że Słońce nie świeci, na początku Układu Słonecznego stworzenia , aż 70% jego natężenia prądu, tylko zwiększenie około 7% na miliard lat. Problem został podniesiony przez astronomów Carla Sagana i George'a Mullena w 1972 roku. Aby rozwiązać ten paradoks, zwykle przywołuje się ocieplenie cieplarniane , wpływy astrofizyczne lub połączenie obu tych czynników.
Nierozwiązaną kwestią jest to, w jaki sposób klimat sprzyjający życiu, a priori wymagający wody w stanie ciekłym, był utrzymywany na Ziemi przez dłuższy czas pomimo zmian energii słonecznej i warunków na lądzie.
Na początku historii Ziemi Słońce miało niższą jasność, reprezentującą jedynie 70% jego obecnej intensywności. Rzeczywiście, zgodnie ze standardowym modelem Słońca , gwiazdy podobne do Słońca rozświetlają się stopniowo przez cały okres ich ciągu głównego , ze względu na kurczenie się jądra gwiazdy spowodowane fuzją.
W ówczesnych warunkach środowiskowych to promieniowanie słoneczne byłoby zatem niewystarczające do utrzymania płynnego oceanu. Ponieważ przy jasności słonecznej sprzed 4 miliardów lat, jak szacowano do tej pory, i stężeniu gazów cieplarnianych podobnym do obserwowanego dzisiaj na Ziemi, każda woda w stanie ciekłym wystawiona na powierzchnię zamarzłaby. Jednak astronomowie Carl Sagan i George Mullen podkreślenia w 1972 roku, które to założenie jest sprzeczne z geologicznych i paleontologicznych danych , które wskazują na obecność ciekłej wody, ponieważ historii geologicznej Ziemi wskazuje na stałe stosunkowo gorącej powierzchni w temperaturze zarejestrować pełen Ziemia, z wyjątkiem epoki lodowcowej, zlodowacenia huronskiego , ma około 2,4 do 2,1 miliarda lat. Z osadów zdeponowanych przez wodę okazały historia sięga początku lat temu jako 3,8 mld lat, a ślady prymitywnych form życia zostały znalezione w starożytnej Strata 3,5 miliarda lat, w których węgiel izotop proporcje są dość spójne z tym, co jest dzisiaj.
W czasie jego powstawania atmosfera ziemska mogła zawierać więcej gazów cieplarnianych niż obecnie, co zrekompensowałoby niską aktywność Słońca i pozwoliło na obecność wody w stanie ciekłym i pojawienie się życia. Aby przeciwdziałać temu brakowi energii młodej gwiazdy, stężenie dwutlenku węgla powinno być 1000 razy wyższe niż obecnie, przy ciśnieniu cząstkowym co najmniej około 39 kPa ( 0,39 bar).
W 2020 roku w badaniu dokonano przeglądu problemu w świetle najnowszych ograniczeń geologicznych i geochemicznych w atmosferze wczesnej Ziemi, trójwymiarowych globalnych modeli klimatu i modeli obiegu węgla. Dochodzi do wniosku, że wysokie stężenie CO 2jest poprawnym wyjaśnieniem i że problem słabego młodego Słońca jest zasadniczo rozwiązany, jeśli chodzi o Ziemię. Aby potwierdzić ten wniosek, konieczne są jednak dodatkowe ograniczenia dotyczące atmosfery archaików i w pełni sprzężonych modeli 3D atmosfera-ocean.
DwuazotWysokie ciśnienie parcjalne azotu mogło zwiększyć efekt cieplarniany, ale „analiza izotopów azotu i argonu znalezionych w płynnych inkluzjach uwięzionych w hydrotermalnych kryształach kwarcu datowanych od 3,0 do 3,5 miliarda lat” w 2013 roku doprowadziła do wniosku, że„ azot prawdopodobnie nie odegrał znaczącej roli w efekcie cieplarnianym starej Ziemi. Z drugiej strony ciśnienie cząstkowe Archean CO 2 było prawdopodobnie nieco poniżej 0,7 bara”. Burgess, jeden z autorów, wskazuje, że „ilość azotu w atmosferze była zbyt niska, aby zwiększyć efekt cieplarniany dwutlenku węgla i spowodować globalne ocieplenie. Jednak nasze wyniki pokazują, że ilość dwutlenku węgla w atmosferze, w przeciwieństwie do szacunków opartych na glebach kopalnych, mogła być wystarczająco wysoka, aby przeciwdziałać skutkom słabego Słońca ”. Jednak wyniki te wymagają potwierdzenia.
WulkanizmW wulkany są głównym źródłem CO 2 atmosfery w warunkach geologicznych.
Wprawdzie to wtryskiwanie dwutlenku węgla do atmosfery, zazwyczaj udaremnione różnych mechanizmów chemicznych, takich jak fotosyntezy lub erozji z skał krzemianowych , takich jak plagioklazów , ale te dwa mechanizmy, nie działają podczas Hadean w efekcie:
CaAl 2 Si 2 O 8 + 3H 2 O + 2 CO 2 ⇄ Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 ( kaolinit ) + Ca 2 + + 2 HCO 3 -
Dwa mole CO 2 są zużywane do przemiany jednego mola anortytu. Gdy HCO 3 - dociera do morza przez dryfujące płyty tektoniczne, następuje wytrącanie kalcytu CaCO 3 w wyniku reakcji:
Ca 2 + +2 HCO 3 - ⇄ CO 2 + H 2 O + CaCO 3
Reakcja ta w ten sposób uwalnia jeden mol CO 2 , ale poprawki pozostałe molowych.
W związku z tym w Hadeanie nie zidentyfikowano żadnych aktywnych procesów, które umożliwiłyby zmniejszenie stężeń CO 2 w atmosferze. W związku z tym duże ilości CO 2 mogą gromadzić się w atmosferze i tym samym powodować silny efekt cieplarniany.
Metan i amoniakInne gazy mogły przyczynić się do efektu cieplarnianego młodej Ziemi. Metan , na emisję gazów cieplarnianych bardzo aktywne, które reaguje z tlenem w celu wytworzenia dwutlenku węgla i pary wodnej , może być bardziej rozpowszechnione, niż obecnie, w stężeniach rzędu 100 części na milion objętości. Jednak przy braku tlenu, prawie nieobecnego w atmosferze Hadean, metan jest bardziej stabilny (obecnie żywotność metanu w atmosferze wynosi około 10 lat). Źródłem metanu mogły być archeony, ale przed pojawieniem się życia nie ma żadnych oczywistych źródeł możliwej obecności metanu.
Amoniak zaproponowano również Carl Sagan, lecz amoniak jako metanu są kruche, które są rozkładane przez ultrafioletowego promieniowania słonecznego. Gazy te nie mogły zatem odgrywać większej roli bez znaczącego źródła. Dlatego amoniak jest zdyskwalifikowany.
siarczkiNa podstawie badań geologicznych izotopów siarki grupa naukowców, w tym Yuichiro Ueno z Uniwersytetu Tokijskiego, zaproponowała w 2009 r. obecność siarczku karbonylu (OCS) w atmosferze archaiku. Siarczek karbonylu jest skutecznym gazem cieplarnianym, a naukowcy uważają, że dodatkowy efekt cieplarniany wystarczyłby, aby Ziemia nie zamarzła.
Drugie możliwe wyjaśnienie leży w radiogenicznym cieple młodej Ziemi:
W przeszłości uwalnianie energii geotermalnej z ciepła rozpadu emitowanego przez izotopy potasu 40 , uranu 235 i uranu 238 było znacznie większe niż obecnie. Rysunek po prawej pokazuje, że stosunek izotopów między U 238 i U 235 również znacznie różnił się od dzisiejszego. Ten stosunek jest odpowiednikiem współczesnego nisko wzbogaconego uranu . Dlatego naturalna ruda uranu na młodej Ziemi byłaby w stanie utworzyć naturalne reaktory rozszczepienia jądrowego ze zwykłą wodą lekką jako moderatorem . Każda próba wyjaśnienia paradoksu młodego Słońca musi zatem brać pod uwagę wkład radiogeniczny, zarówno z ciepła naturalnego rozpadu, jak i potencjalnego istnienia naturalnych reaktorów jądrowego rozszczepienia.
Księżyc był znacznie bliżej Ziemi podczas jej genezy w ciągu ostatnich kilku miliardów lat. Ta bliskość prawdopodobnie wywołała znaczące efekty pływowe, które mogły zwiększyć wewnętrzne ciepło Ziemi i przyczynić się do jej ocieplenia.
Alternatywne wyjaśnienie popierane przez mniejszość naukowców i zaproponowane przez amerykańsko-izraelskiego fizyka Nira Shaviva dotyczy klimatologicznych wpływów wiatru słonecznego. Hipoteza ta opiera się na pracy duńskiego fizyka Henrika Svensmarka na temat chłodzących skutków promieniowania kosmicznego. Według Shaviva, młode Słońce emitowało intensywniejszy wiatr słoneczny, który mógł chronić przed promieniami kosmicznymi, a tym samym zmniejszyć ich ochłodzenie na Ziemi. W tak młodym wieku umiarkowany efekt cieplarniany, porównywalny do tego, jaki znamy dzisiaj, wystarczyłby, by wyjaśnić dziewiczą krainę lodu według Nira Shaviva. Mówi się, że dowody na silniejsze wiatry słoneczne zostały znalezione w meteorytach .
Minimalna temperatura osiągnięta 2,4 miliarda lat temu wydaje się korelować z bardziej intensywnym strumieniem promieniowania kosmicznego, powiązanym z wyższym tempem powstawania gwiazd w Drodze Mlecznej . Późniejsze zmniejszenie intensywności wiatru słonecznego spowodowałoby silniejszy wpływ strumienia promieniowania kosmicznego (CRF), który, jak się uważa, prowadzi do zmian klimatycznych.
Alternatywny model ewolucji Słońca mógłby inaczej rozwiązać paradoks słabego młodego Słońca . Zgodnie z tym modelem młode Słońce przeszłoby okres przedłużonej produkcji silniejszych wiatrów słonecznych , co skutkowałoby utratą masy Słońca rzędu 5 do 10%. Jednak większa masa Słońca u źródła zapewniłaby proporcjonalnie wyższą produkcję energii, a zatem bardziej spójne poziomy jasności słonecznej.
Jednak, aby wyjaśnić ciepłe warunki w całym eonie archaicznym , ta utrata masy musi być rozłożona na okres około miliarda lat. Jednak ślady implantacji jonów w meteorytach i próbkach księżycowych pokazują, że wysokie natężenie wiatru słonecznego trwało tylko przez okres 0,1 miliarda lat. Co więcej, obserwacje młodej gwiazdy podobnej do Słońca π1 Ursae Majoris wykazały takie samo tempo spadku produkcji wiatru gwiazdowego (~0,1 miliarda lat), co dowodzi, że Słońce mogło nie stracić tyle masy, ile jest to konieczne do rozwiązania paradoksu. .
Badanie osadów archaiku wydaje się niezgodne z hipotezą o wysokim stężeniu gazów cieplarnianych. Zamiast tego umiarkowany zakres temperatur można wytłumaczyć niższym albedo powierzchni, spowodowanym brakiem lub mniejszą powierzchnią kontynentu oraz „brakem biologicznie indukowanych jąder kondensacji chmur”. Zjawiska te prowadziłyby do wzrostu absorpcji energii słonecznej, kompensując w ten sposób niższą produkcję energii słonecznej.