TPO22 L2 "새롭게 태어난 태양의 빛은 약한데 왜 지구상의 생명체가 여기에 있는 걸까요?"

TPO22 두 번째 강의

주제: 희미한 젊은 태양의 역설?

시험 포인트: 질문과 답/비교/정의/병치/강조 /끝 / 태도

어휘 인식에 중점:

화석화 / 역설 / 연결 / 수소 / 헬륨

산소 / 항성 / 보상 / 의심

이산화탄소 / 대기 /? 배제

질량 / 추정 / 매력적인 / 희미한 / 대규모

확장 읽기: "차가운 태양 아래서 지구의 생명은 어떻게 불붙었나요?" "신생아" 태양 광선이 약한데 왜 지구상의 생명체가 여기에 있습니까?” | 스튜어트 클라크

“... ...”

자세히 보기: /article/mg21729042- 100-how-was-earths -life-kindled-under-a-cold-sun/#ixzz6FACzzWoi ?

우리가 여기에 있는 이유는 무엇입니까? 이 질문은 수천년 동안 존재했지만 항상 풀리지 않았습니다. 철학자와 신학자들은 이 질문을 좋아하며, 이 질문이 언급될 때마다 깊은 생각에 빠지거나 히스테리에 빠지게 됩니다. 과학자들은 종종 처음부터 반대쪽에 서 있는 자신을 발견합니다. 우리는 아마도 여기서 전혀 질문을 해서는 안 될 것입니다.

지구에 생명체가 존재하게 된 것은 수많은 전환기 사건이 행운의 연속으로 이루어진 결과인 것 같습니다. 태양의 초기 역사를 예로 들어보자. 오늘날 항성 진화에 관해 우리가 알고 있는 모든 것에 따르면, 우리 태양은 태어날 때 약간 흐릿했고 점차적으로 현재의 영광에 도달했어야 한다. 이런 관점에서 보면 45억년 전 태양과 함께 탄생한 지구는 처음 20억년 정도는 분명 얼음덩어리로 얼어붙어 있었을 터이다.

그러나 우리는 지구상에 처음 20억년 이내에 형성된 암석에서 명백히 물이 풍부한 환경에서 형성된 퇴적물이 발견되었고, 세균화석도 풍부하게 발견되어 당시 지구가 이미 존재했음을 알 수 있다. 이때는 지구에서 멀리 떨어져 있었고 태양의 나이는 10억년도 채 되지 않았을 것이다. 이 문제는 희미한 젊은 태양의 역설이라고 불리며 이에 대한 해결책은 많지만 모두 사실적 뒷받침이 부족합니다. 그러나 추측이 쌓이고 폐기되면서 결론은 점점 무시하기 어려워지는 것 같습니다. 우리는 여기서 대화를 나눌 수 있으며 이전에 상상했던 것보다 더 많은 행운이 필요합니다.

희미한 태양 역설은 1960년대 천체물리학자들이 화학적 구성의 변화가 태양과 같은 별의 밝기와 열 출력에 어떻게 영향을 미치는지 연구하기 위해 처음으로 조잡한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용했을 때 시작되었습니다. 결과는 분명합니다. 초기 별의 핵에 수소가 많을수록 내부 압력이 커지고 별의 핵은 압력에 따라 팽창하여 온도가 낮아집니다. 그 결과, 초기 태양의 열 방출은 오늘날보다 25~30% 낮았습니다. 지구의 평균 표면 온도로 환산하면 지금보다 약 20°C 정도 낮고, 이는 물의 어는점보다 약 10도 정도 낮습니다.

그러나 지구상의 액체 물의 역사는 거의 지구 형성 초기까지 거슬러 올라갑니다. 서호주의 마운트 잭(Mount Jack) 암석에 퇴적된 지르콘 광물의 연대는 44억년 전으로 추정됩니다. 그들이 함유하고 있는 산소 동위원소는 그들이 물이 풍부한 환경에서 형성되었음을 암시합니다. 화석 스트로마톨라이트도 같은 지역에서 발견되었습니다. 이러한 층상 구조는 얕은 물에서 미생물 군집에 의해 형성되었으며 그 연대는 35억년 전으로 거슬러 올라갑니다.

퍼듀 대학의 행성 과학자 데이비드 민턴은 "이것은 행성의 거주 가능성에 대한 단순한 모델이 잘못되었음을 분명히 말해준다"고 말했다.

“2012년 수십 명의 천체 물리학자와 지구과학자들이 미국 메릴랜드 주 볼티모어에 모여 기존 모델의 제약에서 벗어날 수 있는 방법을 논의했습니다. 민튼도 그 참가자 중 한 명이었습니다.” 결과적으로 얼마나 많은 사람이 참여했는지, 거의 잠재적인 해결책은 그만큼 많습니다. ”

오늘날 가장 인기 있는 아이디어는 여전히 초기 아이디어입니다. 처음에는 햇빛이 더 약했지만 일종의 온실 가스로 인해 초기 지구 대기가 더 많은 열을 가두게 되었습니다. 이 아이디어는 원래 천문학자들에 의해 제안되었습니다. 칼 세이건(Carl Sagan)과 조지 멀렌(George Mullen)이 1972년 사이언스(Science)에서 발견한 것처럼 올바른 온실가스를 찾는 데는 시간이 걸렸습니다.

현재 온실 효과는 지구 기후 변화의 주요 원인으로 간주되지만, 초기에는 그렇습니다. 태양계의 온실 효과는 지구가 차가운 햇빛으로부터 더 많은 열을 얻는 데 도움이 되었을 수 있습니다.

올바른 칵테일 혼합

CO2만으로는 이 일을 할 수 없을 것 같습니다. CO2가 토양에 들어갈 수 있는 방법: 비를 통해 또는 직접적인 확산을 통해, 그 효과는 소위 고대 암석을 통해 이루어질 수 있습니다. 토양(고토양)은 Archaean 기간 동안 38억에서 25억 사이임을 보여줍니다. 수십억 년 전에는 지구의 CO2 수준이 오늘날보다 높았습니다. 그러나 바다를 영하 5°C에 도달하려면 필요한 CO2가 오늘날의 300배입니다. 시생대의 CO2 수준에 대한 가장 과장된 추정치는 이 값의 10분의 1에 불과합니다.

미국 펜실베니아 주립 대학의 고생물학자인 James Kasting은 여전히 ​​CO2 기반 온실 효과가 어두워지는 태양을 해결하는 방법이라고 믿고 있습니다. 역설적이며 CO2가 지구 온도를 조절한다는 다른 증거를 지적합니다.("탄소의 규제 역할" 참조) "나는 그 중 일부에 완전히 동의하지는 않았지만 이러한 추정치를 기록했습니다"라고 그는 말했습니다. "우리는 막대기로 CO2를 죽일 수 없습니다. 온도 상승을 촉진하고 올바른 칵테일을 만들기 위해 CO2와 협력할 수 있는 다른 가스를 찾아야 합니다.

이미 1972년에 Sagan과 Mullen A 공식 암모니아와 메탄이 주어집니다. 그러나 암모니아는 자외선에 매우 민감합니다. 오존층의 보호가 부족한 초기 지구에서는 어린 태양의 희미한 햇빛조차도 암모니아를 쉽게 분해할 수 있었습니다. 그러나 농도가 일정량을 초과하면 햇빛을 흡수한 다음 다시 우주로 방출하는 유기 안개가 형성됩니다. 천문학자들이 토성의 달 타이탄에서 발견한 것처럼 메탄이 너무 많으면 행성 표면이 가열되기보다는 냉각될 수 있습니다.

타이탄은 초기 지구 대기를 더 따뜻하게 만드는 또 다른 방법을 제공합니다. 시카고 대학의 Robin Wadsworth와 Raymond Pierrehumbert는 최근에 높은 농도의 질소와 타이탄의 수소는 온난화 효과가 있습니다. 대답은 '그렇다'이지만 현재 지구 대기가 온난화 효과가 있다는 증거는 없습니다. 이렇게 높은 농도의 질소와 수소를 보유할 수 있을 만큼 두꺼워지면 모든 가스가 더 많은 문제를 일으키는 것으로 나타났습니다. 독일 포츠담 기후 영향 연구 연구소의 Georg Feulner는 말합니다. Georg Feulner는 이 역설이 해결되지 않은 한 가지 이유는 고대 기후를 연구하는 데 일반적으로 사용되는 컴퓨터 모델이 너무 조잡해서 이를 제공할 수 없기 때문이라고 생각합니다.

달 타이탄에는 메탄이 많이 함유되어 있어 대기로부터 햇빛을 대부분 차단하는 짙은 유기 안개가 형성되어 표면이 냉각됩니다. 세계

이 모델이 거친 이유는 일반적으로 달의 중력으로 인해 느려지는 지구의 자전과 같은 일부 요인을 무시하기 때문입니다. 적도에서 극으로 이동하여 얼음 덮개가 변경됩니다. "초기 지구의 알베도도 큰 ​​문제입니다."라고 Kastin은 말했습니다. "바다는 육지보다 더 많은 열을 흡수하므로 알베도는 대륙의 분포와 같은 요인의 영향을 받습니다.

끝없는 지구의 지각 운동으로 인해, 오랜 과거의 토지 분포는 오늘날과 완전히 다릅니다. 덴마크 코펜하겐 대학의 Minik Rosing과 동료들은 육지 면적의 큰 감소와 구름의 화학적 조성의 차이가 결합되어 더 많은 온실 가스를 도입하지 않고도 태양 역설 수준을 어둡게 설명할 수 있을 만큼 알베도를 줄일 수 있다는 논란의 여지가 있는 아이디어를 제안하기도 했습니다. (Nature, vol. 464, p. 744 참조).

대기의 구성, 지구의 자전, 알베도, 구름의 영향 등 이 모든 요소가 역설을 해결하는 열쇠일 수도 있지만 눈을 멀게 하는 나뭇잎일 수도 있으며, 어느 것이 옳고 어느 것이 그른지 모릅니다. Feulner 자신은 최근에 보다 정교한 기후 모델을 시도했는데, 이는 이전 연구에서 더 빠른 회전과 얼음 표면의 냉각 효과를 과소평가하여 태양이 지는 역설에 대한 더 많은 의문을 제기했음을 보여주었습니다(Geophysical Research Letters, Volume 39, Page L23710 참조).

이 복잡한 모델을 몇 년 더 개발한 후 Feulner는 초기 지구 기후에 대한 모든 그룹의 시뮬레이션을 함께 비교할 수 있기를 희망합니다. 이러한 방식으로 개별 모델을 구축할 때 이론적 가정의 결과가 어떤 효과인지 확인할 수 있습니다. 모델의 가정에 관계없이 모든 모델에 반영되는 일종의 가열 효과가 있다면 이것이 문제 해결의 열쇠가 될 가능성이 더 높습니다.

한편 일부 지질학자들은 계속해서 회의적인 시각으로 태양을 바라보고 있습니다. 천체물리학자들이 태양의 진화에 대한 세부적인 내용을 파악하지 못했다는 것이 가능합니까? "약 10년마다 누군가는 태양이 오늘날 우리가 생각하는 것보다 더 컸음에 틀림없다는 생각을 내놓았습니다."라고 Kastin은 말했습니다. (지구 8,250개에 해당) 태양을 충분히 밝게 만듭니다. 태양은 계속해서 입자를 우주로 방출하여 소위 태양풍을 형성하지만, 현재 속도로 보면 태양이 지구의 질량에 해당하는 질량을 잃는 데는 1억 5천만년이 걸릴 것입니다. 이는 과거에 태양풍이 더 강했고, 이 추가 질량을 잃기 위해서는 훨씬 더 강력해야 했다는 것을 의미합니다. 민턴은 "이는 다른 별을 관찰해 추론한 것보다 최소 10배는 더 큰 장기간 지속되는 질량 손실이다"라고 말했다.

천문학 분야에서는 다양한 해법이 제시되고 있다. Minton 자신의 설명은 프랑스 파리 천문대의 Jacques Laskar의 연구에서 영감을 받아 당구공과 같은 행성의 "충돌"을 포함합니다. Laskar는 2009년에 내부 태양계 행성의 궤도가 수십억 년의 시간 규모에서 반드시 안정적일 필요는 없다는 것을 보여주는 일련의 컴퓨터 시뮬레이션으로 헤드라인을 장식했습니다. 특히 걱정스러운 진화 시나리오에서는 외부 태양계에 있는 거대한 행성인 목성의 중력이 수성의 궤도를 흔들어 바깥쪽으로 던질 수 있으며, 이로 인해 향후 35억 년 내에 수성, 금성, 지구가 붕괴될 가능성이 있습니다. 화성 사이에 충돌이 발생합니다(Nature, vol. 459, p. 817 참조).

행성 간의 충돌로 인해 지구의 궤도가 바뀔 수 있으며, 이는 희미한 태양 역설을 설명할 수 있습니다.

Orbital Migration Minton은 미래에 일어날 수 있는 일이 과거에도 일어났을 수 있다고 믿습니다. 지구가 태양에 더 가까운 궤도에서 형성되었고 나중에 현재 궤도로 바깥쪽으로 이동했을 수 있습니까? 민턴은 Dark Sun Paradox를 완벽하게 해결하기 위해 어떤 조건이 필요한지 조사했습니다. 아직 발표되지 않은 연구에서 그는 요구 사항이 실제로 그렇게 높지 않다는 것을 발견했습니다. 그의 말에 따르면, "지구 궤도를 몇 퍼센트만 바꾸면 된다." 그러나 그럼에도 불구하고 이러한 궤도 이동은 점진적이기보다는 갑작스럽고 파국적으로 일어날 가능성이 더 높습니다. 민턴이 구상한 대격변은 약 25억년 전 두 행성 사이의 충돌이었고, 오늘날의 금성은 그 충돌의 산물입니다. 중력 환경에서 발생하는 작은 변화는 지구를 현재 위치로 추정하기에 충분했으며, 따라서 지구상의 생명체가 태양 성장의 불길 속에서 바비큐되지 않도록 보장했습니다.

Minton 자신도 그 아이디어가 기괴하고 테스트하기가 거의 불가능하다고 인정했습니다. 행성의 나이는 일반적으로 표면에 있는 분화구의 밀도로 유추할 수 있지만 금성은 베일 아래 얼굴을 숨깁니다.

금성 표면의 분화구에 대한 간단한 계산에 따르면 금성의 나이는 5억~10억년에 불과합니다. 이는 행성의 진화를 설명하기에는 너무 어린 나이입니다. 무언가가 금성 표면의 오래된 주름을 부드럽게 만든 것이 틀림없습니다. 배후에 있는 사람을 찾지 않는 한 우리는 금성의 실제 나이를 결코 추측할 수 없습니다.

카스틴 역시 오컴의 면도날을 근거로 민턴의 생각에 의문을 표했다. 그는 “솔루션을 가능한 한 단순하게 만들어야 합니다”라고 말했습니다. 불행하게도 현재 우리에게는 단순한 솔루션이 부족합니다. 사실, 모든 증거는 그 어떤 단일 요인도 희미한 태양의 역설을 해결할 수 없음을 보여줍니다. 이는 더 광범위한 질문을 제기합니다. 지구의 거주 가능성이 정말로 신중하게 조직된 일련의 사건의 결과라면, 얼마나 많은 다른 행성이 이 시련을 완료할 수 있을까요?

포일너는 이 문제를 무시했습니다. 그는 우리가 먼저 우리 집 앞의 눈을 치워야 다른 사람의 타일에 쌓인 서리를 걱정할 수 있다고 믿습니다. "고기후에 대한 우리의 이해는 아직 초보적입니다. 따라서 나는 그것이 의미하는 바가 무엇인지 궁금해하기 전에 Fading Sun Paradox를 해결하는 방법을 알아내는 것이 좋습니다."

Minton의 견해는 다릅니다. 역설 자체에 가능한 많은 해결책이 있는 한, 단 하나만이 지구에 해당하더라도 나머지는 은하계의 다른 행성에서 작동할 수 있습니다. 행성을 거주 가능하게 만드는 방법은 다양하다는 사실은 하나의 답을 찾는 것보다 훨씬 더 의미가 있습니다. Minton은 "아마도 너무 많은 복잡한 요인이 작용하고 있으며 우리는 이제 막 시작했을 것입니다"라고 말했습니다. "생물권은 우리가 생각했던 것보다 더 견고할 수 있으며 이제 우리는 극도로 가혹한 행성 환경이 그들에게 너무 가혹할 수 있다고 생각합니다." 이곳은 달콤한 꿈의 땅입니다.”

혼자 있고 동반자 없이 지내는 것을 두려워하는 사람들에게는 이것이 위로가 될 수 있지만 여전히 '우리는 왜 여기에 있는가?'라는 질문에 답할 수는 없습니다.