Вчені запропонували рішення парадоксу не замерзання Землі
Австрійські дослідники показали, що наша планета в давнину могла зберегти атмосферу, тільки якщо та містила не менше 40% вуглекислого газу. Це набагато більше, ніж передбачалося раніше.
З віком Сонце поступово збільшує свої розміри і світність. Через п’ять мільярдів років воно стане червоним надгігантом, який поглине Землю, а потім скине зовнішні шари і стане дуже маленьким білим карликом.
Ще в XX столітті астрономи встановили, що світність зірок типу Сонця за час їх життя помітно зростає. З цього випливало, що 3,8 мільярда років тому вона повинна була бути на 75% нижче, ніж сьогодні. Якби така світність у нашої зірки була зараз, Земля покрилася суцільним льодовиковим щитом.
Однак ніяких ознак заледенінь на стародавній планеті немає до самого гурона (2,2 мільярда років тому) — та й там, судячи з усього, причиною стало зниження вмісту СО2 в атмосфері, викликане бумом фотосинтезу на планеті. Звідси виникла проблема, відома як “парадокс молодого тьмяного Сонця”.
Якщо світило було настільки тьмяним, як так вийшло, що на Землі було досить тепло? Настільки, що не пізніше 3,77 мільярда років тому на ній з’явилися сліди життя. Варіанти розв’язання цієї проблеми пропонували не раз. Наприклад, висувалася ідея, що азотна атмосфера планети тоді була на багато товстішою, містила більше азоту і в цілому залишалася більш щільною.
Щільна газова оболонка знижує втрати тепла земною поверхнею: інфрачервоне випромінювання, яке йде від неї в космос краще поглинається атмосферою.
Але у цієї гіпотези знайшли фатальні недоліки: співвідношення ізотопів азоту в сучасній атмосфері йому суперечить. Якби в давнину азотна атмосфера була щільнішою, легкі атоми азоту (азот-14) відносило б в космос помітно частіше, ніж важкі (азот-15). Тоді в земному азоті повітря зараз азоту-15 було більше, ніж в інших місцях Сонячної системи.
На практиці “надлишку” важких атомів азоту не спостерігається. До того ж розміри древніх крапель, зафіксованих в лаві з далекого минулого планети, вказують на те, що атмосферний тиск мільярди років тому міг бути навіть нижче, ніж сьогодні.
Тобто щільна газова оболонка сама по собі не може пояснити парадоксу не замерзання стародавньої Землі.
Автори нової роботи вирішили з’ясувати, чи є інші шляхи розв’язувати це питання. Вони спробували розрахувати, як змінилася б доля земної атмосфери при різних вмістах в ній вуглекислого газу.
Виявилося, якщо в повітрі міститься багато СО2, то він так ефективно затримує інфрачервоне випромінювання від поверхні планети, що це остуджує верхні шари нашої атмосфери: до них знизу доходить менше тепла.
Дослідники нагадують, що раннє Сонце випромінювало набагато більше ультрафіолету, ніж сьогодні, і це випромінювання повинно було серйозно нагрівати саме верхні шари атмосфери (адже УФ-промені ефективно поглинаються газами й майже всю енергію повинні віддати ще у верхніх шарах газової оболонки).
Якби вміст СО2 3,8 мільярда років тому був таким же низьким, як сьогодні, планета могла втратити всю атмосферу в стислі терміни.
По-перше, нагріті верхні шари мають більш високу швидкість молекул газів, що спрощує їх «втікання» з поля земного тяжіння.
По-друге, розігріті зовнішні шари атмосфери відчувають серйозне розширення. Чим далі вони від центру Землі, тим слабкіше їх утримує гравітація, що спрощує втрату газів в космос.
Оскільки на сьогоднішній планеті щільність атмосфери не нижча, ніж в давнину, залишається припустити, що рівні СО2 в повітрі ранньої землі були набагато вищими, ніж зараз.
Розрахунки авторів нової роботи показують, що вуглекислого газу там повинно було бути не менше 40%. Для порівняння: сьогодні вміст СО2 в повітрі – тільки 0,04%, або в тисячу разів менше.
Автори підкреслюють, що 40% — це обмеження знизу, а фактичний вміст цього газу в повітрі міг бути навіть вищим. Якщо вуглекислого газу в давнину було в тисячу разів більше, ніж зараз, це пояснює парадокс не замерзань стародавньої Землі.
Маючи такий ефективний парниковий газ в настільки величезних концентраціях (не менше 400 тисяч частин на мільйон), планета повинна була слабо втрачати тепло, одержуване від сонця, тому не знала заледенінь аж до втрати основної частини атмосферного вуглекислого газу.
Можливо, основним шляхом такої втрати був фотосинтез, в процесі якого стародавні мікроорганізми розщеплювали СО2, виділяючи в повітря кисень і використовуючи вуглець для побудови власних тканин
