Исследование показывает, как ранняя Земля сохраняла достаточно тепла для поддержания жизни

Решение «парадокса слабого молодого Солнца» — объяснение того, как ранняя Земля была теплой и пригодной для жизни более 3 миллиардов лет назад, несмотря на то, что Солнце было на 20% тусклее, чем сегодня, — может быть не таким сложным, как считалось ранее. К такому выводу пришло новое исследование Университета Колорадо в Боулдере.

По словам двух исследователей, для поддержания жидкой воды и примитивной жизни на Земле в архейском эоне 2,8 миллиарда лет назад могли быть достаточны разумные количества атмосферного углекислого газа, которые, как полагают, присутствовали в то время, и, возможно, небольшая доля метана. Ключом к решению стало использование сложных трехмерных климатических моделей, которые работали тысячи часов на суперкомпьютере Janus, а не грубых одномерных моделей, используемых почти всеми учеными, пытавшимися решить этот парадокс.

«В трехмерной климатической модели действительно не так сложно получить средние температуры поверхности в архее, которые на самом деле умеренные, — сказал ведущий автор исследования, докторант Эрик Вольф. — Наши модели показывают, что климат архея мог быть похож на наш нынешний климат, возможно, немного прохладнее. Даже если Земля тогда периодически входила в ледниковые периоды и выходила из них, в экваториальных регионах все равно было бы много жидкой воды, как и сегодня».

Ученые пытаются решить парадокс слабого молодого Солнца с 1972 года. В новом исследовании Вольф и профессор Брайан Тун использовали общую циркуляционную модель, известную как Community Atmospheric Model версии 3.0, которая содержит трехмерные компоненты атмосферы, океана, суши, облаков и морского льда. Исследователи также «настроили» модель с помощью сложного компонента для переноса излучения, позволяющего учесть поглощение, излучение и рассеяние солнечной энергии и точно рассчитать парниковый эффект для необычной атмосферы ранней Земли, где не было кислорода и озона, но было много CO₂ и, возможно, метана.

Простейшее решение парадокса, воспроизводящее современный климат Земли, предполагает поддержание в древней атмосфере около 2,8 миллиарда лет назад примерно 20 000 частей на миллион парникового газа CO₂ и 1000 частей на миллион метана. Хотя это может показаться большим по сравнению с сегодняшними 400 ppm CO₂, геологические исследования древних образцов почвы подтверждают идею, что CO₂ действительно мог быть на таком высоком уровне в тот период. Метан считается как минимум в 20 раз более мощным парниковым газом, чем CO₂, и также мог играть значительную роль в потеплении ранней Земли.

«Наши результаты показывают, что слабая версия парадокса слабого молодого Солнца, требующая лишь того, чтобы некоторая часть поверхности планеты поддерживала жидкую воду, может быть разрешена с умеренными объемами парниковых газов», — пишут авторы в статье, опубликованной на обложке июльского номера журнала Astrobiology.

«Скачок от одномерных к трехмерным моделям — важный шаг. Облака и морской лед являются критическими факторами в определении климата, но одномерные модели полностью их игнорируют», — отметил Вольф. Исследователи оценили, что проект потребовал около 6000 часов времени вычислений на суперкомпьютере, что эквивалентно примерно 10 годам работы на домашнем компьютере.