В последнем номере журнала Science была опубликована статья о развитии жизни на нашей планете во времена молодого Солнца.

Земля во времена архейского эонаУченые из CRPG-CNRS University of Lorraine и университета Манчестера опровергли одну из теорий объясняющих теплый климат в те времена на нашей планете.

Не смотря на то, что вследствие слабого молодого Солнца температура на Земле в архее должна была быть гораздо ниже чем сегодня, что могло создавать фактически не возможные условия для развития жизни на нашей планете, у нас есть все подтверждения того, что Жизнь в течение всего этого времени от 3,8 до 2,4 млрд. лет назад успешно эволюционировала.

“Во времена архея, на поверхность Земли приходилось на 20-25% меньше солнечной энергии чем сейчас” рассказывает один их авторов исследования доктор Рей Берджесс, из Манчестерской школы Земли, атмосферы и Экологических наук. “Если выбросы парниковых газов в те времена были на современном уровне, то Земля должна была быть оледеневшей, чему противоречат полученные геологические данные, свидетельствующие о том, что никаких глобальных оледенений до конца архея не было и что на планете была широко распространена жидкая вода”.

Одно из объяснений данной загадки заключается в том, что уровень парниковых газов - один из регуляторов климата Земли - были значительно выше в архее, чем сегодня.

"Для противодействия эффекту слабого Солнца, концентрации диоксида углерода в атмосфере Земли должны были быть в 1000 раз выше, чем сейчас", - сказал ведущий автор профессор Бернард Марти, из CRPG-CNRS университета Лотарингии. "Тем не менее, древние ископаемые почвы - лучшие показатели концентрации древнего уровня углекислого газа в атмосфере показывают, что его концентрация в архее была гораздо меньше чем следовало бы ожидать. В атмосфере так же присутствовали и другие парниковые газы, в частности, аммиак и метан, но эти газы являются хрупкими и легко разрушаются от ультрафиолетовой солнечной радиации, поэтому вряд ли оказывали какое-то влияние."

Другая проверяемая ими теория объясняет парниковый эффект большим содержанием в атмосфере азота, усиливавшего парниковый эффект от углекислого газа и позволившего в результате этого Земле оставаться свободной ото льда.

Ученые проанализировали образцы крошечных пузырьков воздуха в капельках воды с кварца Северной Австралии, из очень старых и исключительно хорошо сохранившихся пород.

"Мы измерили количество изотопов азота и аргона в древнем воздуха", сказал профессор Марти. "Аргон благородный газ, который, будучи химически инертными, является идеальным элементом для мониторинга атмосферных изменений. Использовав измерения азота и аргона, мы смогли реконструировать количество и изотопный состава азота, растворенного в воде, что позволило реконструировать атмосферу, которая когда-то была в равновесии с водой. "

Исследователи обнаружили, что парциальное давление азота в архейской атмосфере было примерно такое же, а возможно, даже немного ниже, чем в настоящее время, что исключает влияние азота в качестве одного из главных претендентов на решение головоломки раннего климата Земли.

Д-р Берджесс добавил: "количество азота в атмосфере было слишком низким для повышения парникового эффекта углекислого газа и недостаточным, чтобы это привело к нагреву планеты. По нашим расчетам содержание углекислого газа должно было быть выше, чем считалось ранее, что приводит в противоречие с их оценками основанными на ископаемых почвах показывающих, что содержание парникового газа было не достаточно высоким чтобы объяснить парадокс молодого Солнца.

Читайте так же о моделировании климата Земли в неоархеи 2,8 млрд лет назад и как могли водород и азот повлиять на повышение температуры Земли.

Источник: Phys.org

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?

Поздний архей, 2,8 млрд лет назад. Даже в самом худшем случае, уверяют нас исследователи, значительная часть океанов должна была остаться свободной ото льда. Правда, геологических данных даже о частичных оледенениях планеты в те времена у нас нет, так что в принципе климат был не таким уж суровым. (Иллюстрация Charlie Meeks.)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.

Второй вариант, при котором метан в атмосфере считается равным нулю, требует наличия там 1,5–2% углекислого газа. Правда, он даёт существенно более холодный климат, чем сегодня, не исключающий тем не менее существования жидкой воды на поверхности.

«Даже если половина земной поверхности находилась ниже точки замерзания в архее, а другая половина — выше, по крайней мере половина океанов оставались бы отрытыми, то есть речь шла бы об обитаемом мире, — поясняет Эрик Вольф. — Большинство учёных не рассматривало вариант, когда климат в архее мог быть средним между современным и тем, что непригоден к жизни».

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.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Astrobiology.

Источник: КОМПЬЛЕНТА

Несмотря на первые ростки жизни, древняя Земля была не самым приятным местом. Поверхность планеты регулярно побивалась космическими камнями, атмосфера не содержала кислорода и, следовательно, не имела озона для защиты поверхности от воздействия УФ-излучения. Кроме того, молодое Солнце производило на 25% меньше энергии, чем сегодня, в результате чего средняя температура на Земле близ поверхности должна была находиться ниже точки замерзания воды.

Юная солнцеподобная звезда 1RXS J160929.1-210524 и её планета (изображение Gemini Observatory, D. Lafreniere, R. Jayawardhana, M. van Kerkwijk / Univ. Toronto)Но она там не находилась. Геологические данные свидетельствует о существовании жидких океанов вскоре после образования планеты, и первые полтора миллиарда лет истории Земли не оставили нам следов оледенения. Эту головоломку — парадокс слабого молодого Солнца — первыми в 1972 году описали Карл Саган и Джордж Маллен.

С тех пор предложено множество гипотез. Одни считают, что Земля обладала меньшей отражательной способностью из-за недостатка континентов и сниженного облачного покрова, в результате чего поглощала больше солнечного света. Другие ставят на парниковые газы. Много усилий потрачено на вычисление объёмов CO₂, метана и более экзотических соединений вроде карбонилсульфида (OCS) в древней атмосфере, которая, к слову, была тогда, скорее всего, плотнее, что повышало эффективность парниковых газов.

Комбинации этих факторов достаточно, чтобы решить парадокс, но невыясненными остаётся множество деталей. Робин Вордсворт и Раймон Пьерюмбер из Чикагского университета (США) предлагают связать ещё один кусочек головоломки со взаимодействием в атмосфере водорода и азота.

Ни тот (H₂) ни другой (N₂) по отдельности не является парниковым газом, то есть не поглощает инфракрасное излучение, испускаемое планетой (этот факт определяется их молекулярной структурой). Однако при их столкновении происходят странные вещи. На какое-то мгновение они начинают вести себя как одна большая молекула парникового газа. Этот процесс, кстати, играет важную роль в энергетическом балансе спутника Сатурна Титана.

До недавнего времени считалось, что в ранней земной атмосфере было очень мало водорода, ведь ему ничего не стоит улететь в космос благодаря своей малой массе. Но сейчас доказано, что скорость потери этого элемента переоценивалась и в древности он присутствовал в значительном количестве.

Авторы нового исследования вычислили, что вышеуказанные столкновения могли нагреть Землю на целых 10−15 ˚C. Если это действительно так, то даже умеренного влияния других факторов было бы более чем достаточно, чтобы планета не замерзала. (Впрочем, одна из недавних работ показала, что юное Солнце давало ещё меньше тепла, поэтому другие факторы могли понадобиться в полном объёме.)

Очевидно, что поглощение инфракрасного излучения таким способом играло важную роль лишь до тех пор, пока атмосфера была насыщена водородом. Всё изменилось, как только на сцену вышли бактерии, которые перерабатывают углекислый газ и водород в метан и воду. Метан поглощает инфракрасное излучение лишь на определённой длине волны, и поэтому по достижении определённой концентрации вклад дополнительного метана в парниковый эффект становится незначительным. Метаногены, вероятно, очень быстро достигли этой точки, после чего потребление углекислого газа и водорода стало давать в остатке охлаждающий эффект. Кроме того, высокая концентрация метана должна была привести к образованию дымки, отражавшей солнечный свет.

Поэтому исследователи предполагают, что обширное оледенение, случившееся около 2,9 млрд лет назад, могло быть обусловлено, как ни странно, биологическим производством метана. Здесь остаётся много неизвестных, так что простор для исследований ещё есть.

В комментарии к статье с результатами исследования Джеймс Кастинг из Университета штата Пенсильвания (США) отмечает, что выводы коллег имеют внеземное значение. Если H₂ и впрямь способен нагреть планету земного типа, становится возможным существование жизни на аналогичных молодых планетах (в том числе на древнем Марсе), расположенных в десять раз дальше от солнцеподобной звезды, чем Земля.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА