Ученые предложили решение парадокса незамерзания Земли

Еще в XX веке астрономы установили, что светимость звезд типа Солнца за время их жизни заметно растет. Из этого следовало, что 3,8 миллиарда лет назад она должна была быть на 75% ниже, чем сегодня. Если бы такая светимость у нашей звезды была сейчас, Земля покрылась сплошным ледниковым щитом. Однако никаких признаков оледенений на древней планете нет до самого гурона (2,2 миллиарда лет назад) — да и там, судя по всему, причиной стало снижение содержания СО2 в атмосфере, вызванное бумом фотосинтеза на планете.

Отсюда возникла проблема, известная как «парадокс молодого тусклого Солнца». Если светило было настолько тусклым, как так получилось, что на Земле было довольно тепло? Настолько, что не позднее 3,77 миллиарда лет назад на ней появились следы жизни.

Варианты решения этой проблемы предлагали не раз. Например, выдвигалась идея, что азотная атмосфера планеты тогда была много толще, содержала больше азота и в целом оставалась более плотной. Плотная газовая оболочка снижает потери тепла земной поверхностью: уходящее от нее в космос инфракрасное излучение лучше поглощается атмосферой.

Но у этой гипотезы нашли фатальные недостатки: соотношение изотопов азота в современной атмосфере ему противоречит. Если бы в древности азотная атмосфера была плотнее, легкие атомы азота (азот-14) уносило бы в космос заметно чаще, чем тяжелые (азот-15). Тогда в земном азоте воздуха сейчас азота-15 было больше, чем в других местах Солнечной системы.

На практике «избытка» тяжелых атомов азота не наблюдается. Вдобавок размеры древних капель, зафиксированных в лаве из далекого прошлого планеты, указывают на то, что атмосферное давление миллиарды лет назад могло быть даже ниже, чем сегодня. То есть плотная газовая оболочка сама по себе не может объяснить парадокса незамерзания древней Земли.

Авторы новой работы решили выяснить, есть ли другие пути решить этот вопрос. Они попытались рассчитать, как изменилась бы судьба земной атмосферы при разных содержаниях в ней углекислого газа. Оказалось, если в воздухе содержится много СО2, то он так эффективно задерживает инфракрасное излучение от поверхности планеты, что это остужает верхние слои нашей атмосферы: до них снизу доходит меньше тепла.

Исследователи напоминают, что раннее Солнце излучало намного больше ультрафиолета, чем сегодня, и это излучение должно было серьезно нагревать именно верхние слои атмосферы (ведь УФ-лучи эффективно поглощаются газами и почти всю энергию должны отдать еще в верхних слоях газовой оболочки). Если бы содержание СО2 3,8 миллиарда лет назад было таким же низким, как сегодня, планета могла потерять всю атмосферу в сжатые сроки.

Во-первых, нагретые верхние слои имеют более высокую скорость молекул газов, что упрощает их «убегание» из поля земного тяготения. Во-вторых, разогретые внешние слои атмосферы испытывают серьезное расширение. Чем дальше они от центра Земли, тем слабее их удерживает гравитация, что упрощает потерю газов в космос.

Поскольку на сегодняшней планете атмосфера вполне наблюдается и плотность ее не ниже, чем в древности, остается предположить, что уровни СО2 в воздухе ранней Земли были намного выше, чем сейчас. Расчеты авторов новой работы показывают, что углекислого газа там должно было быть не менее 40%. Для сравнения: сегодня содержание СО2 в воздухе — только 0,04%, или в тысячу раз меньше. Авторы подчеркивают, что 40% — это ограничение снизу, а фактическое содержание этого газа в воздухе могло быть даже выше.

Если углекислого газа в древности было в тысячу раз больше, чем сейчас, это объясняет парадокс незамерзаний древней Земли. Имея такой эффективный парниковый газ в столь огромных концентрациях (не менее 400 тысяч частей на миллион), планета должна была слабо терять тепло, получаемое от Солнца, поэтому не знала оледенений вплоть до потери основной части атмосферного углекислого газа.

Возможно, основным путем такой потери был фотосинтез, в процессе которого древние микроорганизмы расщепляли СО2, выделяя в воздух кислород и используя углерод для построения собственных тканей.