La paradoja del Sol joven tenue o el problema del Sol joven tenue describen la aparente contradicción entre las observaciones de agua líquida al principio de la historia de la Tierra y la expectativa astrofísica de que la producción del Sol sería solo un 70 por ciento más intensa durante esa época que durante la época moderna. . [1] La paradoja es la siguiente: con la producción del sol joven a solo el 70 por ciento de su producción actual, se esperaría que la Tierra primitiva estuviera completamente congelada, pero la Tierra primitiva parece haber tenido agua líquida.
La cuestión fue planteada por los astrónomos Carl Sagan y George Mullen en 1972. [2] Las resoluciones propuestas de esta paradoja han tenido en cuenta los efectos de invernadero , los cambios en el albedo planetario , las influencias astrofísicas o combinaciones de estas sugerencias.
Una pregunta sin resolver es cómo se mantuvo un clima adecuado para la vida en la Tierra durante un período prolongado a pesar de la producción solar variable y la amplia gama de condiciones terrestres. [3]
Evolución solar
Al principio de la historia de la Tierra , la producción del Sol habría sido sólo un 70 por ciento tan intensa como lo es durante la época moderna, debido a una mayor proporción de hidrógeno a helio en su núcleo. Desde entonces, el Sol se ha iluminado gradualmente y, en consecuencia, ha calentado la superficie de la Tierra, un proceso conocido como forzamiento radiativo . Durante la era arcaica, asumiendo un albedo constante y otras características de la superficie como los gases de efecto invernadero, la temperatura de equilibrio de la Tierra habría sido demasiado baja para sostener un océano líquido. Los astrónomos Carl Sagan y George Mullen señalaron en 1972 que esto es contrario a la evidencia geológica y paleontológica. [2]
El sol está alimentado por fusión nuclear , que para el Sol se puede representar de la siguiente manera:
En las ecuaciones anteriores, e + es un positrón, e - es un electrón y ν representa un neutrino (casi sin masa). El efecto neto es triple: una liberación de energía por la fórmula de Einstein ΔE = mc 2 (dado que el núcleo de helio es menos masivo que los núcleos de hidrógeno), un aumento en la densidad del núcleo solar (ya que el producto final está contenido en un núcleo en lugar de entre cuatro protones diferentes) y un aumento en la velocidad de fusión (ya que las temperaturas más altas ayudan a aumentar la velocidad de colisión entre los cuatro protones y aumentan la probabilidad de que se produzcan tales reacciones). [4] [5] El efecto neto es un aumento asociado en la luminosidad solar . Estudios de modelos más recientes han demostrado que el Sol es actualmente 1,4 veces más brillante hoy que hace 4.600 millones de años (Ga), y que se ha iluminado aproximadamente de forma lineal desde entonces con el tiempo, aunque se ha acelerado ligeramente.
A pesar de la reducida luminosidad solar hace 4 mil millones (4 × 10 9 ) de años y con gases de efecto invernadero , el registro geológico muestra una superficie relativamente cálida en el registro completo de temperatura temprana de la Tierra, con la excepción de una fase fría, la glaciación huroniana , hace unos 2.4 a 2.1 mil millones de años. Se han encontrado sedimentos relacionados con el agua que datan de hace 3.800 millones de años. [6] Esta relación entre la temperatura de la superficie y el equilibrio de los mecanismos de fuerza tiene implicaciones sobre cómo los científicos entienden la evolución de las formas de vida tempranas, que datan de hace 3.500 millones de años. [7]
Soluciones de gases de efecto invernadero
Amoníaco como gas de efecto invernadero
Sagan y Mullen incluso sugirieron durante sus descripciones de la paradoja que podría resolverse con altas concentraciones de gas amoniaco, NH 3 . [2] Sin embargo, desde entonces se ha demostrado que, si bien el amoníaco es un gas de efecto invernadero eficaz, se destruye fácilmente fotoquímicamente en la atmósfera y se convierte en gases de nitrógeno (N 2 ) e hidrógeno (H 2 ). [8] Se sugirió (nuevamente por Sagan) que una neblina fotoquímica podría haber evitado esta destrucción de amoníaco y permitir que siguiera actuando como gas de efecto invernadero durante este tiempo, [9] sin embargo, esta idea se probó más tarde utilizando un modelo fotoquímico y descontado. [10] Además, se cree que tal neblina enfrió la superficie de la Tierra debajo de ella y contrarrestó el efecto invernadero.
Dióxido de carbono como gas de efecto invernadero
Ahora se cree que el dióxido de carbono estuvo presente en concentraciones más altas durante este período de menor radiación solar. Fue propuesto y probado por primera vez como parte de la evolución atmosférica de la Tierra a finales de los 70. Se descubrió que una atmósfera que contenía aproximadamente 1000 veces el nivel atmosférico actual (o PAL) era coherente con la trayectoria evolutiva del ciclo del carbono de la Tierra y la evolución solar. [11] [12] [13]
El mecanismo principal para alcanzar concentraciones tan altas de CO 2 es el ciclo del carbono. A grandes escalas de tiempo, la rama inorgánica del ciclo del carbono, que se conoce como ciclo de carbonato-silicato, es responsable de determinar la distribución del CO 2 entre la atmósfera y la superficie de la Tierra. En particular, durante una época de temperaturas superficiales bajas, las tasas de lluvia y meteorización se reducirían, lo que permitiría la acumulación de dióxido de carbono en la atmósfera en escalas de tiempo de 0,5 millones de años (Myr). [14]
Específicamente, utilizando modelos 1-D, que representan la Tierra como un solo punto (en lugar de algo que varía en 3 dimensiones), los científicos han determinado que a 4.5 Ga, con un Sol 30% más tenue, una presión parcial mínima de 0.1 bar de CO 2 para mantener una temperatura de la superficie por encima del punto de congelación. Se ha sugerido como máximo 10 bar de CO 2 como límite superior plausible. [12] [15]
Sin embargo, la cantidad exacta de niveles de dióxido de carbono todavía está en debate. En 2001, Sleep y Zahnle sugirieron que el aumento de la meteorización en el fondo marino en una Tierra joven y tectónicamente activa podría haber reducido los niveles de dióxido de carbono. [16] Luego, en 2010, Rosing et al. analizó sedimentos marinos llamados formaciones de hierro en bandas (BIF) , y encontró grandes cantidades de varios minerales ricos en hierro, incluida la magnetita (Fe 3 O 4 ), un mineral oxidado junto con la siderita (FeCO 3 ), un mineral reducido y vio que se formaron durante la primera mitad de la historia de la Tierra (y no después). La coexistencia relativa de los minerales sugirió un equilibrio análogo entre CO 2 y H 2 . En el análisis, Rosing et al. conectado el H atmosférica 2 concentraciones con regulación por metanogénesis biótico . Por lo tanto, los organismos anaeróbicos unicelulares que producían metano (CH 4 ) pueden haber contribuido al calentamiento además del dióxido de carbono. [17] [18]
Otras explicaciones propuestas
Una visión minoritaria, propuesta por el físico israelí-estadounidense Nir Shaviv , utiliza las influencias climatológicas del viento solar , combinadas con una hipótesis del físico danés Henrik Svensmark sobre un efecto de enfriamiento de los rayos cósmicos , para explicar la paradoja. [19] Según Shaviv, el Sol temprano había emitido un viento solar más fuerte que produjo un efecto protector contra los rayos cósmicos. En esa edad temprana, un efecto invernadero moderado comparable al actual habría sido suficiente para explicar una Tierra sin hielo. Se ha encontrado evidencia de un Sol temprano más activo en meteoritos . [20]
La temperatura mínima de alrededor de 2.400 millones de años va acompañada de una modulación del flujo de rayos cósmicos por una tasa de formación de estrellas variable en la Vía Láctea . El impacto solar reducido más tarde da como resultado un impacto más fuerte del flujo de rayos cósmicos (CRF), que se supone que conduce a una relación con las variaciones climatológicas.
Pérdida de masa del sol
Se ha propuesto varias veces que la pérdida de masa del débil Sol joven en forma de vientos solares más fuertes podría haber compensado las bajas temperaturas del forzamiento de los gases de efecto invernadero. [21] En este marco, el Sol temprano experimentó un período prolongado de mayor producción de viento solar. Esto provocó una pérdida de masa del Sol del orden del 5 al 10 por ciento a lo largo de su vida, lo que resultó en un nivel más constante de luminosidad solar (ya que el Sol primitivo tenía más masa, lo que resultaba en una producción de energía superior a la prevista). Para explicar las condiciones cálidas en la era Arcaica, esta pérdida de masa debe haber ocurrido en un intervalo de aproximadamente mil millones de años. Los registros de implantación de iones de meteoritos y muestras lunares muestran que la elevada tasa de flujo del viento solar solo duró un período de 100 millones de años. Las observaciones de la joven estrella similar al Sol π 1 Ursae Majoris coinciden con esta tasa de disminución en la producción de viento estelar, lo que sugiere que una tasa de pérdida de masa más alta no puede resolver la paradoja por sí sola. [22] [23] [24]
Cambios en las nubes
Si las concentraciones de gases de efecto invernadero no compensaron completamente el sol más débil, el rango de temperatura moderada puede explicarse por un albedo de superficie más bajo . En ese momento, un área más pequeña de tierra continental expuesta habría resultado en menos núcleos de condensación de nubes, tanto en forma de polvo arrastrado por el viento como de fuentes biogénicas. Un albedo más bajo permite que una fracción más alta de radiación solar penetre en la superficie. Goldblatt y Zahnle (2011) investigaron si un cambio en la fracción de nubes podría haber provocado un calentamiento suficiente y encontraron que era igualmente probable que el efecto neto fuera tanto negativo como positivo. A lo sumo, el efecto podría haber elevado las temperaturas de la superficie a apenas un punto por encima de cero en promedio. [25]
Otro mecanismo propuesto de reducción de la cobertura de nubes relaciona una disminución de los rayos cósmicos durante este tiempo con una fracción de nubes reducida. [26] Sin embargo, este mecanismo no funciona por varias razones, incluido el hecho de que los iones no limitan la formación de nubes tanto como CCN, y se ha encontrado que los rayos cósmicos tienen poco impacto en la temperatura media global. [27]
Las nubes continúan siendo la fuente dominante de incertidumbre en los modelos climáticos globales en 3-D , y aún no se ha llegado a un consenso sobre exactamente cómo los cambios en los patrones espaciales y el tipo de nubes pueden haber afectado el clima de la Tierra durante este tiempo. [28]
Hipótesis de Gaia
La hipótesis de Gaia sostiene que los procesos biológicos funcionan para mantener un clima superficial estable en la Tierra para mantener la habitabilidad a través de varios mecanismos de retroalimentación negativa. Si bien los procesos orgánicos, como el ciclo del carbono orgánico, funcionan para regular los cambios climáticos dramáticos y que la superficie de la Tierra presumiblemente ha permanecido habitable, esta hipótesis ha sido criticada por ser intratable. Además, la vida ha existido en la superficie de la Tierra a través de cambios dramáticos en el clima, incluidos los episodios de Snowball Earth . También existen versiones fuertes y débiles de la hipótesis de Gaia, lo que ha provocado cierta tensión en esta área de investigación. [28]
En otros planetas
Marte
Marte tiene su propia versión de la paradoja del joven y débil Sol. Los terrenos marcianos muestran signos claros de agua líquida pasada en la superficie, incluidos canales de salida, barrancos, cráteres modificados y redes de valles. Estas características geomórficas sugieren que Marte tenía un océano en su superficie y redes fluviales que se asemejan a las de la Tierra actual durante el Noé tardío (4.1-3.7 Ga). [29] [30] No está claro cómo el patrón orbital de Marte, que lo coloca aún más lejos del Sol, y la debilidad del Sol joven podrían haber producido lo que se cree que fue un clima muy cálido y húmedo en Marte. [31] Los científicos debaten sobre qué características geomorfológicas pueden atribuirse a las costas u otros marcadores de flujo de agua y cuáles pueden atribuirse a otros mecanismos. [28] No obstante, la evidencia geológica, incluidas las observaciones de la erosión fluvial generalizada en las tierras altas del sur, son generalmente consistentes con un clima temprano cálido y semiárido. [32]
Dadas las condiciones orbitales y solares de Marte temprano, habría sido necesario un efecto invernadero para aumentar las temperaturas de la superficie al menos 65 K para que estas características de la superficie hayan sido talladas por el agua que fluye. [31] [32] Se ha propuesto una atmósfera mucho más densa, dominada por CO 2, como una forma de producir tal aumento de temperatura. Esto dependería del ciclo del carbono y de la tasa de vulcanismo a lo largo del período prenoense y noajiano, lo cual no se conoce bien. Se cree que la desgasificación volátil se produjo durante estos períodos. [31]
Una forma de determinar si Marte poseía una gruesa CO 2 atmósfera rica en es mirar a depósitos de carbonato. Un sumidero principal de carbono en la atmósfera terrestre es el ciclo carbonato-silicato . Sin embargo, es difícil que el CO 2 se haya acumulado en la atmósfera marciana de esta manera porque el efecto invernadero habría sido superado por la condensación del CO 2 . [33]
Un invernadero de CO 2 -H 2 desgasificado volcánicamente es una de las soluciones de calentamiento más potentes sugeridas recientemente para los inicios de Marte. [34] Las explosiones intermitentes de metano pueden haber sido otra posibilidad. Estas combinaciones de gases de efecto invernadero parecen necesarias porque el dióxido de carbono por sí solo, incluso a presiones superiores a unos pocos bares, no puede explicar las temperaturas requeridas para la presencia de agua líquida en la superficie en los inicios de Marte. [35] [32]
Venus
La atmósfera de Venus está compuesta por un 96% de dióxido de carbono, y durante este tiempo, hace miles de millones de años, cuando el Sol era entre un 25 y un 30% más tenue, la temperatura de la superficie de Venus podría haber sido mucho más fría y su clima podría haberse parecido al de la Tierra actual. con un ciclo hidrológico, antes de experimentar un efecto invernadero desbocado . [36]
Ver también
- Enfriar la Tierra primitiva
- Temperatura efectiva : de un planeta, que depende de la reflectividad de su superficie y nubes.
- Cinturón isua greenstone
- Paleoclimatología
- Tierra bola de nieve
- Ciclo carbonato-silicato
- Hipótesis de Gaia
Referencias
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