Paradoxo fraco do jovem Sol - Faint young Sun paradox

Representação artística do ciclo de vida de uma estrela parecida com o Sol, começando como uma estrela da sequência principal no canto inferior esquerdo, em seguida, expandindo através das fases subgigantes e gigantes , até que seu envelope externo seja expulso para formar uma nebulosa planetária no canto superior direito.

O débil paradoxo do Sol jovem ou o débil problema do Sol jovem descreve a aparente contradição entre as observações da água líquida no início da história da Terra e a expectativa astrofísica de que a produção do Sol seria apenas 70 por cento tão intensa durante essa época quanto é durante a época moderna . O paradoxo é o seguinte: com a produção do jovem sol representando apenas 70% de sua produção atual, seria de se esperar que a Terra primitiva estivesse completamente congelada - mas a Terra primitiva parece ter tido água líquida.

A questão foi levantada pelos astrônomos Carl Sagan e George Mullen em 1972. As resoluções propostas para esse paradoxo levaram em consideração os efeitos do efeito estufa , mudanças no albedo planetário , influências astrofísicas ou combinações dessas sugestões.

Uma questão não resolvida é como um clima adequado para a vida foi mantido na Terra ao longo da escala de tempo, apesar da produção solar variável e ampla gama de condições terrestres.

Evolução solar

No início da história da Terra , a produção do Sol teria sido apenas 70 por cento mais intensa do que durante a época moderna, devido a uma proporção maior de hidrogênio para hélio em seu núcleo. Desde então, o Sol brilhou gradualmente e, conseqüentemente, aqueceu a superfície da Terra, um processo conhecido como forçamento radiativo . Durante a idade arqueana, assumindo albedo constante e outras características da superfície, como gases de efeito estufa, a temperatura de equilíbrio da Terra teria sido muito baixa para sustentar um oceano líquido. Os astrônomos Carl Sagan e George Mullen apontaram em 1972 que isso é contrário às evidências geológicas e paleontológicas.

O sol é alimentado por fusão nuclear , que para o Sol pode ser representado da seguinte forma:

${\ displaystyle {\ ce {4 ^ {1} H -> ^ {4} He + 2e + + 2 \ nu}}}$

${\ displaystyle {\ ce {4 ^ {1} H + e- -> ^ {4} He + e + + 2 \ nu}}}$

Nas equações acima, e ⁺ é um pósitron, e ^- é um elétron e representa um neutrino (quase sem massa). O efeito líquido é triplo: uma liberação de energia pela fórmula de Einstein ΔE = mc ² (uma vez que o núcleo de hélio é menos massivo que os núcleos de hidrogênio), um aumento na densidade do núcleo solar (uma vez que o produto final está contido em um núcleo em oposição a entre quatro prótons diferentes), e um aumento na taxa de fusão (uma vez que temperaturas mais altas ajudam a aumentar a velocidade de colisão entre os quatro prótons e aumentam a probabilidade de que tais reações ocorram). O efeito líquido é um aumento associado na luminosidade solar . Estudos de modelagem mais recentes mostraram que o Sol está atualmente 1,4 vezes mais brilhante hoje do que era 4,6 bilhões de anos atrás (Ga), e que ele aumentou de forma quase linear desde então com o tempo, embora tenha se acelerado ligeiramente. ${\ displaystyle {\ ce {\ nu}}}$

Apesar da luminosidade solar reduzida há 4 bilhões (4 × 10 ⁹ ) anos atrás e com gases de efeito estufa , o registro geológico mostra uma superfície relativamente quente continuamente no registro completo da temperatura inicial da Terra, com exceção de uma fase fria, a glaciação de Huronian , cerca de 2,4 a 2,1 bilhões de anos atrás. Sedimentos relacionados à água foram encontrados datando de 3,8 bilhões de anos atrás. Esta relação entre a temperatura da superfície e o equilíbrio dos mecanismos de força tem implicações em como os cientistas entendem a evolução das primeiras formas de vida, que datam de 3,5 bilhões de anos.

Soluções de gases de efeito estufa

Amônia como gás de efeito estufa

Sagan e Mullen até sugeriram durante suas descrições do paradoxo que ele poderia ser resolvido por altas concentrações de gás amônia, NH ₃ . No entanto, já foi demonstrado que, embora a amônia seja um gás de efeito estufa eficaz, é facilmente destruída fotoquimicamente na atmosfera e convertida em gases nitrogênio (N ₂ ) e hidrogênio (H ₂ ). Foi sugerido (novamente por Sagan) que uma névoa fotoquímica poderia ter evitado a destruição da amônia e permitido que ela continuasse atuando como um gás de efeito estufa durante esse tempo, no entanto, essa ideia foi posteriormente testada usando um modelo fotoquímico e descontada. Além disso, acredita-se que essa névoa tenha resfriado a superfície da Terra abaixo dela e neutralizado o efeito estufa.

Dióxido de carbono como gás de efeito estufa

Este gráfico conceitual mostra a relação entre a radiação solar e o efeito estufa - neste caso dominado por modulações no dióxido de carbono.

Acredita-se agora que o dióxido de carbono estava presente em concentrações mais altas durante este período de menor radiação solar. Foi proposto e testado pela primeira vez como parte da evolução atmosférica da Terra no final dos anos 70. Uma atmosfera que continha cerca de 1000 vezes o Nível Atmosférico Presente (ou PAL) foi considerada consistente com o caminho evolutivo do ciclo do carbono da Terra e a evolução solar.

O principal mecanismo para atingir essas altas concentrações de CO ₂ é o ciclo do carbono. Em grandes escalas de tempo, o ramo inorgânico do ciclo do carbono, conhecido como ciclo carbonato-silicato, é responsável por determinar a partição do CO ₂ entre a atmosfera e a superfície da Terra. Em particular, durante uma época de baixas temperaturas de superfície, as taxas de chuva e intemperismo seriam reduzidas, permitindo o acúmulo de dióxido de carbono na atmosfera em escalas de tempo de 0,5 milhões de anos (Myr).

Especificamente, usando modelos 1-D, que representam a Terra como um único ponto (em vez de algo que varia em 3 dimensões), os cientistas determinaram que a 4,5 Ga, com um Sol 30% mais escuro, uma pressão parcial mínima de 0,1 bar de CO ₂ é necessário para manter uma temperatura de superfície acima do congelamento. No máximo, 10 bar de CO ₂ foi sugerido como um limite superior plausível.

A quantidade exata de níveis de dióxido de carbono ainda está em debate, no entanto. Em 2001, Sleep e Zahnle sugeriram que o aumento do intemperismo no fundo do mar em uma Terra jovem e tectonicamente ativa poderia ter reduzido os níveis de dióxido de carbono. Então, em 2010, Rosing et al. analisou sedimentos marinhos chamados de formações de ferro em faixas (BIFs) e encontrou grandes quantidades de vários minerais ricos em ferro, incluindo magnetita (Fe ₃ O ₄ ), um mineral oxidado ao lado da siderita (FeCO ₃ ), um mineral reduzido e viu que eles se formaram durante a primeira metade da história da Terra (e não depois). A coexistência relativa dos minerais sugere um equilíbrio análogo entre CO ₂ e H ₂ . Na análise, Rosing et al. conectou as concentrações atmosféricas de H ₂ com a regulação por metanogênese biótica . Organismos anaeróbios unicelulares que produziram metano (CH ₄ ) podem, portanto, ter contribuído para o aquecimento, além do dióxido de carbono.

Outras explicações propostas

Mudança Climática Fanerozóica

Uma visão minoritária, proposta pelo físico israelense-americano Nir Shaviv , usa influências climatológicas do vento solar , combinadas com uma hipótese do físico dinamarquês Henrik Svensmark para um efeito de resfriamento dos raios cósmicos , para explicar o paradoxo. De acordo com Shaviv, o Sol primitivo emitiu um vento solar mais forte que produziu um efeito protetor contra os raios cósmicos. Naquela época, um efeito estufa moderado comparável ao de hoje teria sido suficiente para explicar uma Terra sem gelo. Evidências de um Sol inicial mais ativo foram encontradas em meteoritos .

A temperatura mínima em torno de 2,4 bilhões de anos acompanha uma modulação do fluxo de raios cósmicos por uma taxa variável de formação de estrelas na Via Láctea . O impacto solar reduzido posteriormente resulta em um impacto mais forte do fluxo de raios cósmicos (CRF), que se supõe que leve a uma relação com variações climatológicas.

Perda de massa do Sol

Foi proposto várias vezes que a perda de massa do fraco Sol jovem na forma de ventos solares mais fortes poderia ter compensado as baixas temperaturas do forçamento do gás de efeito estufa. Nesse contexto, o Sol inicial passou por um período prolongado de maior produção de vento solar. Isso causou uma perda de massa do Sol na ordem de 5 a 10 por cento ao longo de sua vida, resultando em um nível mais consistente de luminosidade solar (já que o Sol primitivo tinha mais massa, resultando em mais produção de energia do que o previsto). Para explicar as condições quentes da era arqueana, essa perda de massa deve ter ocorrido em um intervalo de cerca de um bilhão de anos. Registros de implantação de íons de meteoritos e amostras lunares mostram que a elevada taxa de fluxo do vento solar durou apenas por um período de 0,1 bilhão de anos. As observações da jovem estrela semelhante ao Sol π ¹ Ursae Majoris corresponde a essa taxa de declínio na produção de vento estelar, sugerindo que uma taxa de perda de massa mais alta não pode, por si mesma, resolver o paradoxo.

Mudanças nas nuvens

Se as concentrações de gases de efeito estufa não compensaram completamente o sol mais fraco, a faixa de temperatura moderada pode ser explicada por um albedo de superfície mais baixo . Na época, uma área menor de terra continental exposta teria resultado em menos núcleos de condensação de nuvens, tanto na forma de poeira soprada pelo vento quanto em fontes biogênicas. Um albedo menor permite que uma fração maior da radiação solar penetre na superfície. Goldblatt e Zahnle (2011) investigaram se uma mudança na fração da nuvem poderia ter causado um aquecimento suficiente e descobriram que o efeito líquido tinha a mesma probabilidade de ter sido tanto negativo quanto positivo. No máximo, o efeito poderia ter aumentado as temperaturas da superfície para um pouco acima de zero, em média.

Outro mecanismo proposto de redução da cobertura de nuvens relaciona uma diminuição dos raios cósmicos durante este tempo à redução da fração de nuvens. No entanto, esse mecanismo não funciona por várias razões, incluindo o fato de que os íons não limitam a formação de nuvens tanto quanto o CCN, e descobriu-se que os raios cósmicos têm pouco impacto na temperatura média global.

As nuvens continuam a ser a fonte dominante de incerteza nos modelos climáticos globais 3-D , e um consenso ainda não foi alcançado sobre exatamente como as mudanças nos padrões espaciais das nuvens e no tipo de nuvem podem ter afetado o clima da Terra durante esse período.

Hipótese de Gaia

A hipótese de Gaia sustenta que os processos biológicos funcionam para manter um clima de superfície estável na Terra para manter a habitabilidade por meio de vários mecanismos de feedback negativo. Embora os processos orgânicos, como o ciclo do carbono orgânico, trabalhem para regular mudanças climáticas dramáticas, e que a superfície da Terra tenha permanecido provavelmente habitável, essa hipótese foi criticada como intratável. Além disso, a vida existiu na superfície da Terra por meio de mudanças dramáticas no clima, incluindo episódios Snowball Earth . Existem também versões fortes e fracas da hipótese de Gaia, o que tem causado alguma tensão nesta área de pesquisa.

Em outros planetas

Marte

Marte tem sua própria versão do débil jovem paradoxo do Sol. Os terrenos marcianos mostram sinais claros de água líquida passada na superfície, incluindo canais de fluxo, ravinas, crateras modificadas e redes de vales. Essas características geomórficas sugerem que Marte tinha um oceano em sua superfície e redes de rios que se assemelham à atual da Terra durante o final de Noé (4,1–3,7 Ga). Não está claro como o padrão orbital de Marte, que o coloca ainda mais longe do Sol, e a fraqueza do jovem Sol poderiam ter produzido o que se pensa ter sido um clima muito quente e úmido em Marte. Os cientistas debatem quais características geomorfológicas podem ser atribuídas às linhas costeiras ou outros marcadores de fluxo de água e quais podem ser atribuídas a outros mecanismos. No entanto, as evidências geológicas, incluindo observações de erosão fluvial generalizada nas terras altas do sul, são geralmente consistentes com um clima quente e semi-árido inicial.

Dadas as condições orbitais e solares do início de Marte, um efeito estufa teria sido necessário para aumentar as temperaturas da superfície em pelo menos 65 K para que essas características da superfície fossem esculpidas por água corrente. Uma atmosfera muito mais densa, dominada por CO ₂ , foi proposta como uma forma de produzir tal aumento de temperatura. Isso dependeria do ciclo do carbono e da taxa de vulcanismo ao longo do período pré-Noé e Noé, o que não é bem conhecido. Acredita-se que a liberação de gases voláteis tenha ocorrido durante esses períodos.

Uma maneira de verificar se Marte possui uma atmosfera rica em CO ₂ é observar os depósitos de carbonato. Um sumidouro primário de carbono na atmosfera terrestre é o ciclo carbonato-silicato . No entanto, é difícil para o CO ₂ ter se acumulado na atmosfera marciana dessa maneira porque o efeito estufa teria sido superado pela condensação de CO ₂ .

Um vulcanicamente-desgaseificada CO ₂ -H ₂ estufa é um dos mais potentes soluções aquecimento recentemente sugeridos para os primeiros Marte. Explosões intermitentes de metano podem ter sido outra possibilidade. Essas combinações de gases de efeito estufa parecem necessárias porque o dióxido de carbono sozinho, mesmo em pressões que excedem alguns bar, não pode explicar as temperaturas necessárias para a presença de água líquida na superfície no início de Marte.

Vênus

A atmosfera de Vênus é composta de 96% de dióxido de carbono, e durante este tempo, bilhões de anos atrás, quando o Sol estava 25 a 30% mais escuro, a temperatura da superfície de Vênus poderia ter sido muito mais fria e seu clima poderia ter se parecido com o atual da Terra, completo com um ciclo hidrológico - antes de sofrer um efeito estufa descontrolado .

Veja também

• Terra primitiva legal
• Temperatura efetiva - de um planeta, dependente da refletividade de sua superfície e nuvens.
• Cinturão de Isua Greenstone
• Lista de paradoxos da cosmologia  - artigo da lista da Wikipedia
• Paleoclimatologia
• Snowball Earth
• Ciclo de carbonato-silicato
• Hipótese de Gaia

Referências

Leitura adicional

• Bengtsson, Lennart; Hammer, Claus U. (2004). Interações Geosfera-Biosfera e Clima . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-78238-8.