Słońce grzało Ziemię w 70 procentach. Wiedzą, jakim cudem nie zamarzła

Dwa badania sfinansowane przez NASA odsłoniły tajemnicę niezwykłego wpływu Słońca na klimat naszej planety. Klimat Ziemi zmieniał się dramatycznie przez dziesiątki milionów lat. W różnych momentach główne epoki lodowcowe tymczasowo obniżały średnią globalną temperaturę o kilka stopni, podczas gdy inne okresy przynosiły powtarzające się wahania między cieplejszymi i zimniejszymi warunkami.

Aby zrozumieć te zmiany naukowcy badali zmiany orbity Ziemi, poziom gazów cieplarnianych, pokrywę lodową i inne czynniki planetarne. Nowe badania sugerują, że zmiany w środowisku kosmicznym wokół Słońca również mogły odegrać istotną rolę.

Układ Słoneczny jest otoczony strefą ochronną utworzoną przez Słońce, podobnie jak Ziemia jest otoczona atmosferą. Obszar ten, zwany heliosferą, powstaje, gdy naładowane cząstki wiatru słonecznego nieustannie odpływają ze Słońca we wszystkich kierunkach.

Cała heliosfera krąży wokół centrum Drogi Mlecznej. W ciągu 4,6 mld lat istnienia Słońca, Układ Słoneczny przemieszczał się przez wiele różnych środowisk galaktycznych.

W badaniu opublikowanym w czasopiśmie Annual Review of Astronomy and Astrophysics naukowcy z centrum SHIELD NASA wykorzystali symulacje komputerowe do rekonstrukcji dawnej trajektorii heliosfery w galaktyce. Ich wyniki sugerują, że niektóre z regionów napotkanych przez Układ Słoneczny mogły wywołać mierzalne zmiany na Ziemi.

Merav Opher, główna badaczka SHIELD na Uniwersytecie Bostońskim, wraz ze współpracownikami przeprowadziła symulacje zderzeń Układu Słonecznego z ekstremalnie zimnymi obszarami wypełnionymi gazem i pyłem. Ich praca wskazuje, że Słońce przechodziło przez takie środowiska co najmniej trzy razy w ciągu ostatnich kilku milionów lat.

Podczas tych spotkań ogromne międzygwiezdne zimne chmury mogły naciskać na heliosferę z siłą wystarczającą do jej drastycznego ścięcia. Według symulacji, heliosfera mogła czasami kurczyć się do rozmiarów mniejszych niż orbita Ziemi, tymczasowo pozostawiając naszą planetę poza ochronną bańką Słońca.

Modelowane spotkania miały miejsce około 2–3 mln lat temu, 6–7 mln lat temu i 13–14 mln lat temu. Gdyby heliosfera skurczyła się tak, jak sugerują symulacje, ziemska atmosfera byłaby w tych okresach bezpośrednio narażona na zupełnie inne środowisko międzygwiazdowe.

Ten czas pokrywa się również z dowodami geologicznymi. Pierwiastki powszechnie kojarzone z pyłem międzygwiazdowym zostały znalezione w rdzeniach osadów głębinowych, śniegu antarktycznym i próbkach z Księżyca, które odpowiadają tym okresom.

Tego typu przypadki zapadania się heliosfery mogą również pomóc wyjaśnić niektóre dawne wzorce klimatyczne.

W symulacjach, wystawienie atmosfery ziemskiej na działanie gęstej, zimnej chmury galaktycznego wodoru zwiększyło ilość pary wodnej w atmosferze i zmieniło warunki w górnych warstwach atmosfery. Efekty te ostatecznie wpłynęły na warunki bliżej powierzchni Ziemi.

Wyniki wskazują na możliwość, że przejścia Układu Słonecznego przez zimniejsze rejony Drogi Mlecznej przyczyniły się do długoterminowych zmian klimatu na Ziemi, potencjalnie obejmujących epoki lodowcowe.

Drugie badanie skupia się na innym problemie dotyczącym wczesnej historii Słońca.

Vladimir Airapetian, naukowiec z Centrum Lotów Kosmicznych im. Goddarda NASA w Greenbelt w stanie Maryland, wraz ze współpracownikami badał, w jaki sposób wczesna Ziemia potrafiła utrzymać wystarczająco wysoką temperaturę, aby mogła występować na niej woda w stanie ciekłym, skoro młode Słońce produkowało znacznie mniej energii niż obecnie.

Około 3 mld lat temu Słońce świeciło zaledwie w 70 proc. tak jasno jak obecnie. Biorąc pod uwagę tę zmniejszoną jasność, Ziemia teoretycznie powinna być zamarznięta na kość.

Dowody geologiczne wskazują na coś innego. Stabilna woda w stanie ciekłym istniała na Ziemi na długo przedtem. Sprzeczność między stosunkowo ciepłą wczesną Ziemią a chłodniejszym, ciemniejszym Słońcem jest znana jako paradoks słabego młodego słońca.

Naukowcy mogą znaleźć wskazówki, badając młode gwiazdy w innych częściach Drogi Mlecznej, które przypominają wczesne Słońce.

Te młode gwiazdy są znacznie bardziej aktywne niż gwiazdy dojrzałe. Obserwacje z nieczynnego już teleskopu kosmicznego Kepler NASA pokazują, że młode gwiazdy podobne do Słońca mogą codziennie wytwarzać ogromne superrozbłyski, wysyłając wysokoenergetyczne cząstki w przestrzeń kosmiczną.

Airapetian wysuwa hipotezę, że gdyby młode Słońce zachowywało się w podobny sposób, te energetyczne cząstki mogłyby wywołać reakcje chemiczne w atmosferze Ziemi, które przyczyniły się do ogrzania planety.

Aby przetestować tę hipotezę, zespół Airapetiana odtworzył w szczelnej komorze warunki, które miały przypominać atmosferę wczesnej Ziemi. Naukowcy połączyli azot cząsteczkowy, amoniak, dwutlenek węgla i tlenek węgla.

Następnie bombardowali mieszankę gazów protonami, aby imitować strumień energetycznych cząstek wytwarzany przez superrozbłyski słoneczne.

Symulowane bombardowanie cząsteczkami wywołało szereg zmian chemicznych, w tym powstanie podtlenku azotu. Podtlenek azotu jest gazem cieplarnianym około 300 razy silniejszym niż dwutlenek węgla. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Astrophysical Journal Letters.

Podtlenek azotu mógł pomóc Ziemi zatrzymywać ciepło na wczesnym etapie jej istnienia.

Nie cały gaz pozostałby jednak w atmosferze. Intensywne promieniowanie ultrafioletowe pochodzące z młodego Słońca rozbiłoby niektóre cząsteczki tlenku azotu, rozdzielając je z powrotem na azot i tlen.

Mimo to naukowcy odkryli, że potrzebna mogła być stosunkowo niewielka ilość podtlenku azotu.

Symulacje komputerowe wykazały, że gdyby przetrwało zaledwie 10 proc. podtlenku azotu wytworzonego w eksperymencie laboratoryjnym, temperatura w pobliżu równika Ziemi mogłaby wzrosnąć do około 5 stopni Celsjusza. To utrzymałoby temperaturę powyżej punktu zamarzania wody.

Chłodniejsza i niezamarznięta Ziemia mogłaby mieć jeszcze jedną zaletę.

Mniejsza ilość podtlenku azotu, która przetrwała, mogła wspierać prebiotyczne reakcje chemiczne. Badania wykazały, że temperatury nieznacznie powyżej zera mogą być skuteczniejsze niż cieplejsze warunki do tworzenia złożonych łańcuchów aminokwasów.

Oznacza to, że gwałtowna aktywność młodego Słońca mogła nie tylko zapobiec zamarznięciu Ziemi. Mogła również przyczynić się do stworzenia warunków środowiskowych sprzyjających procesom chemicznym poprzedzającym życie.

Oba badania podkreślają, jak głęboko historia Ziemi jest związana ze Słońcem.

Przemieszczanie się Układu Słonecznego przez Drogę Mleczną mogło narazić Ziemię na zmieniające się warunki międzygwiezdne, które mogą wpływać na jej klimat. Miliardy lat wcześniej intensywna aktywność młodego Słońca mogła przyczynić się do ogrzania planety, gdy samo światło słoneczne nie powinno być wystarczające.

Ziemia jest niezwykła pod wieloma względami, ale nigdy nie istniała w izolacji. Powstała w ramach większego układu planetarno-gwiazdowego i przez całą swoją historię pozostawała ściśle powiązana ze zmieniającym się zachowaniem i środowiskiem Słońca.

Zrozumienie tej zależności może przynieść nowe wskazówki dotyczące klimatu Ziemi, ewolucji życia oraz warunków, które mogą sprawić, że inne układy planetarne staną się zamieszkane.