TPO22 L2 "La luz del sol recién nacido es débil, ¿por qué hay vida aquí en la tierra?"

Segunda conferencia de TPO22

Tema: ¿Paradoja del débil sol joven?

Puntos de prueba: Preguntas y respuestas/Comparación/Definición/Yuxtaposición/Énfasis /Fin / Actitud

Centrarse en el reconocimiento de vocabulario:

fosilizar / paradoja / vincular / hidrógeno / helio

oxígeno / estelar / compensar / sospechar

dióxido de carbono / atmosférico /? descartar

masa / estimación / atractivo / débil / masivo

Lectura ampliada: "¿Cómo se encendió la vida en la Tierra bajo un sol frío?" "Recién nacido" Los rayos del sol son débiles, entonces ¿por qué hay vida en la Tierra aquí?» | Stuart Clark

“... ...”

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¿Por qué estamos aquí? Aunque esta pregunta ha existido durante miles de años, siempre ha estado sin resolver. A los filósofos y teólogos les encanta y caen en pensamientos profundos o histeria cada vez que se menciona. Los científicos a menudo se encuentran en el lado opuesto desde el principio: probablemente no deberíamos estar aquí haciendo preguntas.

La existencia de vida en la Tierra parece ser el resultado de una secuencia afortunada de muchos acontecimientos decisivos. Tomemos como ejemplo la historia temprana del sol. Según todo lo que sabemos hoy sobre la evolución estelar, nuestro sol debería haber sido ligeramente tenue cuando nació y gradualmente alcanzó su gloria actual. Desde este punto de vista, la Tierra, que nació junto con el Sol hace 4.500 millones de años, debería haberse congelado en una bola de hielo durante los primeros 2.000 millones de años. Definitivamente era una tierra árida.

Sin embargo, estamos en la Tierra. En las rocas formadas durante los primeros 2 mil millones de años, se encontraron sedimentos que obviamente se formaron en un ambiente rico en agua, y también había abundantes fósiles de bacterias, lo que indica que la Tierra en ese momento ya era un Planeta templado apto para la formación de vida. En ese momento, estaba lejos de la Tierra y El sol puede tener menos de mil millones de años. Este problema se llama la paradoja del débil sol joven y existen muchas soluciones, pero todas carecen de apoyo fáctico. Sin embargo, a medida que las especulaciones se acumulan y se descartan, una conclusión parece cada vez más imposible de ignorar: aquí podemos charlar y necesitamos más suerte de la que imaginamos anteriormente.

La paradoja del sol débil se originó en la década de 1960, cuando los astrofísicos utilizaron por primera vez simulaciones toscas por computadora para estudiar cómo los cambios en la composición química afectan el brillo y la producción de calor de estrellas como el Sol. Los resultados son claros: cuanto más hidrógeno hay en el núcleo de una estrella temprana, mayor es la presión en su interior, y el núcleo de la estrella se expande bajo la presión, reduciendo su temperatura. Como resultado, la producción de calor del Sol primitivo era entre un 25% y un 30% menor que la actual. Convertida a la temperatura media de la superficie de la Tierra, sería unos 20°C más baja que la actual, que es unos 10 grados más baja que el punto de congelación del agua.

Pero la historia del agua líquida en la Tierra se remonta casi al comienzo de la formación de la Tierra. El mineral circón depositado en las rocas del Monte Jack, en Australia Occidental, data de hace 4.400 millones de años. Los isótopos de oxígeno que contienen sugieren que se formaron en un ambiente rico en agua. También se encontraron estromatolitos fósiles en la misma zona. Estas estructuras en capas fueron formadas por comunidades microbianas en aguas poco profundas y se remontan a hace 3.500 millones de años.

"Esto nos dice claramente que los modelos simples de habitabilidad planetaria están equivocados", afirmó David Minton, científico planetario de la Universidad Purdue. Hay vida en la Tierra en el páramo helado.

"En 2012, decenas de astrofísicos y geocientíficos se reunieron en Baltimore, Maryland, EE. UU., para discutir cómo romper con las limitaciones del antiguo modelo. Minton también fue uno de los participantes. "El resultado es que cuántas personas participaron, casi Hay tantas soluciones potenciales como existen. ”

La idea más popular hoy en día es todavía una idea anterior: aunque la luz solar era más débil al principio, algún tipo de gas de efecto invernadero permitió que la atmósfera de la Tierra primitiva atrapara más calor. Esta idea fue propuesta originalmente por los astrónomos. Como descubrieron Carl Sagan y George Mullen en una edición de 1972 de Science, encontrar los gases de efecto invernadero correctos llevó un tiempo.

El efecto invernadero ahora se considera la principal causa del cambio climático de la Tierra, pero en los primeros días de. En el sistema solar, el efecto invernadero puede haber ayudado a la Tierra a obtener más calor gracias a la luz solar fría.

Mezclando el cóctel adecuado

Parece poco probable que el CO2 pueda hacer esto por sí solo. formas en que el CO2 puede entrar al suelo: a través de la lluvia o por difusión directa, cuyos efectos pueden ser a través de las llamadas rocas antiguas de las que está formado (paleosol) los estudios de estos suelos antiguos muestran que los niveles de CO2. en la Tierra eran más altas que las actuales durante el período Arcaico, hace entre 3.800 y 2.500 millones de años. Sin embargo, para que las temperaturas alcancen los 5 grados centígrados por encima de cero, el CO2 necesario para mantener el océano en estado líquido es 300 veces mayor que el de la actualidad. hoy en día, y la estimación más exagerada de los niveles de CO2 en el Arcaico es sólo una décima parte de este valor.

Universidad Estatal de Pensilvania, EE. UU. El paleoclimatólogo James Kasting todavía cree que el efecto invernadero basado en el CO2 es la forma de solucionarlo. resuelve la paradoja del sol que se oscurece, y señala otras pruebas de que el CO2 regula la temperatura de la Tierra (ver "El papel regulador del carbono"). "Tomé nota de esas estimaciones, aunque no estaba del todo de acuerdo con algunas de ellas", dijo. dicho. "No podemos matar el CO2 con un palo. Todavía necesitamos encontrar otros gases que puedan cooperar con él para promover el aumento de temperatura y hacer un cóctel correcto.

Ya en 1972, Sagan y Mullen Una fórmula se da: amoníaco y metano. Pero el amoníaco es muy sensible a la luz ultravioleta. En la Tierra primitiva, que carecía de la protección de la capa de ozono, incluso la tenue luz solar del sol joven podía descomponer fácilmente el amoníaco. , pero si la concentración excede una cierta cantidad, se forma una neblina orgánica que absorbe la luz solar y luego la irradia de regreso al espacio exterior. Demasiado metano puede enfriar la superficie de un planeta en lugar de calentarla, como han descubierto los astrónomos en Titán, la luna de Saturno. Se ha observado un efecto en Titán.

Titán nos proporciona otra forma de calentar la atmósfera de la Tierra primitiva. Robin Wadsworth de la Universidad de Chicago y Raymond Pierrehumbert investigaron recientemente si las altas concentraciones de nitrógeno y. El hidrógeno en Titán tiene un efecto de calentamiento. Aunque la respuesta es sí, actualmente no hay evidencia de que la atmósfera de la Tierra tenga un efecto de calentamiento. Una vez que fue lo suficientemente espesa como para retener concentraciones tan altas de nitrógeno e hidrógeno, "resulta que todos los gases causan más problemas". de lo que cabría esperar", dice Georg Feulner, del Instituto Potsdam para la Investigación del Impacto Climático en Alemania. Georg Feulner. Cree que una de las razones por las que la paradoja no se ha resuelto es que los modelos informáticos comúnmente utilizados para estudiar los climas antiguos son demasiado toscos para proporcionar Resultados significativos.

La luna Titán tiene una gran cantidad de metano, que forma una densa niebla orgánica que bloquea la mayor parte de la luz solar de la atmósfera, provocando que la superficie se enfríe. el mundo

La razón por la que estos modelos son toscos es que generalmente ignoran algunos factores, como la rotación de la Tierra, que se está desacelerando debido a la atracción gravitacional de la Luna, que cambia el patrón de calor. "El albedo de la Tierra primitiva también es un gran problema", dijo Kastin. "Los océanos absorben más calor que la tierra, por lo que el albedo se ve afectado por factores como la distribución de los continentes.

Debido al interminable movimiento tectónico de la Tierra, la distribución de la tierra en el pasado es completamente diferente a la actual. Minik Rosing de la Universidad de Copenhague en Dinamarca y sus colegas incluso han propuesto la controvertida idea de que grandes reducciones en la superficie terrestre, combinadas con diferencias en la composición química de las nubes, pueden reducir el albedo lo suficiente como para explicar los niveles de la paradoja solar sin introducir más gases de efecto invernadero. (ver Naturaleza, vol. 464, p. 744).

Todos estos factores, incluida la composición de la atmósfera, la rotación de la Tierra, el albedo y la influencia de las nubes, pueden ser la clave para resolver la paradoja, pero también pueden ser hojas cegadoras, y no No sé cuál está bien y cuál está mal. El propio Feulner probó recientemente un modelo climático más sofisticado, que demostró que estudios anteriores habían subestimado los efectos de enfriamiento de una rotación más rápida y la capa de hielo, arrojando más dudas sobre la paradoja del sol desvaneciente (ver Geophysical Research Letters, Volumen 39, Página L23710).

Después de unos años más de desarrollo de este complejo modelo, Feulner espera poder comparar juntas las simulaciones de todos los grupos sobre el clima primitivo de la Tierra. De esta manera, pueden ver qué efectos son el resultado de los supuestos teóricos formulados al construir modelos individuales. Si hay algún tipo de efecto de calentamiento que se refleja en todos los modelos, independientemente de las suposiciones hechas por los modelos, entonces es más probable que sea la clave para resolver el problema.

Mientras tanto, algunos geólogos siguen viendo el sol con escepticismo. ¿Es posible que los astrofísicos no hayan descubierto los detalles de la evolución del Sol? "Aproximadamente cada 10 años, a alguien se le ocurre la idea de que el Sol debe haber sido más grande de lo que pensamos hoy", dijo Kastin. La masa adicional tendría que ser lo suficientemente significativa como para representar alrededor del 2,5 por ciento de la masa actual del Sol. (equivalente a 8.250 Tierras) para hacer que el sol brille lo suficiente. Aunque el sol sigue emitiendo partículas al espacio, formando el llamado viento solar, al ritmo actual, el sol tardará 150 millones de años en perder el equivalente a la masa de la Tierra. Esto significa que el viento solar tuvo que ser más fuerte en el pasado, y mucho más poderoso, para perder esta masa extra. Minton dijo: "¡Se trata de una pérdida de masa duradera que es al menos 10 veces mayor de lo que hemos inferido al observar otras estrellas!"

Hay muchas soluciones propuestas en el campo de la astronomía. La propia explicación de Minton implica una "colisión" de planetas similar a una bola de billar, inspirada en la investigación de Jacques Laskar en el Observatorio de París en Francia. Laskar fue noticia en 2009 por una serie de simulaciones por computadora que mostraban que las órbitas de los planetas del sistema solar interior no tienen por qué ser estables en escalas de tiempo de miles de millones de años. En un escenario evolutivo particularmente preocupante, la gravedad de Júpiter, el planeta gigante del sistema solar exterior, podría sacudir la órbita de Mercurio y lanzarlo hacia afuera, provocando posiblemente el colapso de Mercurio, Venus y la Tierra en los próximos 3.500 millones de años aproximadamente. Se produce una colisión entre Marte (ver Nature, vol. 459, p. 817).

Las colisiones entre planetas pueden provocar que la órbita de la Tierra se desplace, lo que puede explicar la paradoja del sol tenue.

Migración Orbital Minton cree que lo que puede suceder en el futuro también puede haber sucedido en el pasado. ¿Podría ser que la Tierra se formó en una órbita más cercana al Sol y luego migró hacia su órbita actual? Minton investigó qué condiciones se requerirían para resolver perfectamente la Paradoja del Sol Oscuro. En un estudio aún no publicado, descubrió que los requisitos en realidad no son tan altos. En sus palabras, "sólo es necesario cambiar la órbita de la Tierra en un pequeño porcentaje". Pero aun así, es más probable que este cambio orbital se produzca de forma repentina y catastrófica que de forma gradual. El cataclismo que Minton imaginó fue una colisión entre dos planetas hace unos 2.500 millones de años, y el Venus actual es producto de esa colisión. Los pequeños cambios resultantes en el entorno gravitacional fueron suficientes para extrapolar la Tierra a su posición actual, asegurando así que la vida en la Tierra no quedara asada en las llamas del crecimiento del Sol.

Incluso el propio Minton admitió que la idea era extraña y casi imposible de probar. La edad de un planeta normalmente puede deducirse de la densidad de los cráteres en su superficie, pero Venus esconde su cara bajo un velo.

Un simple recuento de los cráteres en la superficie de Venus sugiere que tiene sólo entre 500 y 1.000 millones de años, demasiado joven para cualquier imagen de la evolución planetaria. Algo debe haber suavizado las arrugas más antiguas de la superficie de Venus. A menos que encontremos a la persona detrás de esto, nunca adivinaremos la verdadera edad de Venus.

Castine también expresó dudas sobre las ideas de Minton, basadas en la navaja de Occam. Dijo: "Hay que hacer que las soluciones sean lo más simples posible". Desafortunadamente, lo que actualmente nos falta son soluciones simples. De hecho, toda la evidencia muestra que ningún factor por sí solo puede resolver la paradoja del sol débil. Esto plantea una pregunta más amplia: si la habitabilidad de la Tierra es realmente el resultado de una secuencia de acontecimientos cuidadosamente orquestada, ¿cuántos otros planetas podrían completar esta terrible experiencia?

Feulner se mostró desdeñoso ante el tema. Él cree que primero debemos quitar la nieve frente a nuestra propia casa y luego podemos preocuparnos por la escarcha en las baldosas de otras personas. "Nuestra comprensión del paleoclima es todavía muy rudimentaria, por lo que preferiría descubrir cómo resolver la paradoja del sol desvaneciente antes de preguntarme cuáles son sus implicaciones".

Minton tiene una opinión diferente. Mientras la paradoja misma tenga muchas soluciones posibles, incluso si sólo una es cierta para la Tierra, las otras pueden funcionar en otros planetas de la galaxia. El hecho de que haya muchas formas diferentes de hacer habitable un planeta es incluso más significativo que encontrar una única respuesta. "Tal vez hay muchos factores complejos en juego, y apenas estamos comenzando", dijo Minton. "La biosfera puede ser más robusta de lo que pensábamos, y ahora pensamos que los entornos planetarios extremadamente duros pueden ser demasiado duros para ellos". Es la tierra de los dulces sueños”.

Esto puede ser un consuelo para quienes temen estar solos y sin compañía, aunque todavía no responde a la pregunta: ¿Por qué estamos aquí?