Парадокс слабого молодого Солнца

Во время эпизодов «Земли-снежка» планета подверглась бы еще более глубокой заморозке, если бы солнечный магнитный щит в далеком прошлом не был столь крепким. Поток космических лучей, достигавших Земли 750 миллионов лет назад, был на несколько процентов ниже, чем это было бы сегодня, если бы подобные взрывы звезд повторились, потому что солнечный ветер тогда был сильнее. А 2,4 миллиарда лет назад солнечный щит мог понизить приток лучей даже на 20 процентов.


Уходя дальше в глубину веков, мы замечаем, что Солнце было не таким, как сегодня. Астрономы знают это благодаря теориям о внутреннем строении Солнца и наблюдениям над молодыми звездами солнечного типа. Когда наше светило вместе со своей семьей планет только родилось из газо-пылевого облака около 4,6 миллиарда лет назад, оно вращалось со скоростью, по меньшей мере в десять раз превышающей сегодняшнюю. Его магнитная активность была очень щедра, и солнечный ветер был плотнее. В результате практически никакие заряженные частицы не могли проникнуть в окрестности новорожденной Земли.
Это было только к лучшему с точки зрения климата, потому что молодое Солнце было холоднее и испускало много меньше солнечного света, чем сегодня. Оно разгоралось постепенно, на протяжении миллиардов лет, по мере того как ядерные реакции в его жарком сердце наполняли расширяющуюся оболочку нарабатываемым гелием. В начале своей жизни Солнце светило слабее — его светимость составляла только 70 процентов от нынешней. Камни на земной поверхности были поначалу, вероятно, расплавлены, но как только они остыли в достаточной мере для того, чтобы удержать на себе жидкую воду, юная планета могла бы замерзнуть из-за слабости Солнца. Этого не случилось.
Молодая кора была почти полностью разрушена, и ей приходилось постоянно восстанавливаться под тяжелыми бомбардировками комет и астероидов — материалом, оставшимся после строительства планет. Эта ужасная эра, или гадейский эон — так его окрестили геологи, — длилась 800 миллионов лет. Лишь несколько зерен минералов сохранилось с поры младенчества Земли — в основном это кристаллики циркона, которые находят в Австралии. Самому старому из них, идентифицированному в 2001 году, — 4,4 миллиарда лет. Циркон часто встречается в граните, для формирования которого требуется вода в жидком состоянии, и высокое содержание атомов тяжелого кислорода в цирконе более чем подтверждает его водное происхождение.
С архейского эона, периода, начавшегося 3,8 миллиарда лет назад, до наших дней дошло много больше пластов горных пород. Они также часто свидетельствуют о том, что зарождались на дне древнего моря. К тому времени мощь Солнца возросла до 75 процентов от сегодняшней силы, но по современным стандартам оно было все еще очень слабым. При прочих равных средняя температура поверхности Земли была бы не 10 градусов Цельсия, как сейчас, а минус 15. Даже по наступлении протерозоя 2,5 миллиарда лет назад сила Солнца достигла лишь 83 процентов от сегодняшней, обещая среднемировую температуру около минус 5 градусов. Если бы геологи, еще не зная о том, как иногда было тепло на нашей планете в прошлом, наткнулись на свидетельства того, что 2,4 миллиарда лет назад Земля была полностью оледеневшей, они, вероятно, не удивились бы. Им оставалось бы лишь винить слабое Солнце за очень холодные условия.
Вместо этого геологам пришлось решать сложную задачу. С 1972 года, когда американский астроном Карл Саган и его коллега Джордж Маллен впервые привлекли внимание ученых к «парадоксу слабого молодого Солнца», специалисты пытаются объяснить, каким образом в ранний период истории Земли сохранялись теплые условия. Некоторые предполагали, что Солнце развивалось не так, как его аналоги, но поступавшие новые сведения о внутреннем устройстве Солнца не позволяли согласиться с этой идеей. Еще выдвигалась гипотеза, что земная атмосфера была плотнее, чем сегодня. Высокое содержание водяного пара, углекислого газа, метана и/или других газов, возможно, создавало значительный парниковый эффект, позволяющий удержать достаточно высокие температуры, чтобы вода на планете не замерзала. Эту гипотезу так часто повторяли на протяжении тридцати лет, что некоторые принимают исконное парниковое состояние Земли за доказанный факт.
Из чего состояла атмосфера, когда Земля только вылезла из младенческих пеленок, никто не знает. Ученые составляли и обсуждали самые разные рецепты, полет их фантазии ограничивали лишь свидетельства камней, других планет и лун в Солнечной системе. Но даже если бы вам подарили моментальный снимок ранней атмосферы, он не был бы достоверным, потому что беспрестанные жестокие бомбардировки во времена гадейского эона своими ударными волнами, вероятно, сносили прочь раннюю атмосферу. Что и в каком объеме они могли поменять в составе воздуха — неизвестно. Самые древние из доступных данных, запечатленных каменными породами, говорят о том, что концентрация углекислого газа в атмосфере была очень высока и, как предполагают некоторые эксперты, именно двуокись углерода сделала океаны кислотными. Ян Вейзер из университета Оттавы полагает, что есть доказательство, подрывающее эту версию.
То, что в пору юного слабого Солнца вода находилась в жидком состоянии, — уже действительно очевидно. И лишь один выход из этого парадокса не требует придумывания специальных обстоятельств или изобретения особого климатического механизма. Как следует из всего, что было уже сказано о космических лучах и облаках, в те времена из-за магнитной активности юного Солнца очень мало заряженных частиц достигало нижних слоев атмосферы, следовательно, тогда должно было быть очень мало низких облаков, чтобы охлаждать Землю.
Эта идея пришла в голову Ниру Шавиву в Иерусалиме, когда он прокручивал назад во времени климатическую историю жизни в Галактике, пробираясь сквозь ледниковые эры, связанные с прохождениями Солнечной системы через спиральные рукава, и эпизоды «Земли-снежка», происходившие в связи с активным звездообразованием. Окончательный вывод Шавив сделал в 2003 году:

«Стандартные солнечные модели предполагают, что яркость Солнца увеличивалась постепенно и возросла приблизительно на 30 процентов за последние полтора миллиарда лет. Учитывая слабость Солнца, большую часть своего существования Земля должна была находиться подо льдом. Однако уже в ранние периоды истории Земли мы видим следы текущей воды. Эта тайна… может быть частично объяснена, если мы примем во внимание охлаждающий эффект, который, как мы подозреваем, оказывают космические лучи на глобальный климат, и признаем, что солнечный ветер юного Солнца должен был быть более сильным, чтобы не пропустить космические лучи на Землю»[80].

Свенсмарк уже размышлял о «тайне слабого Солнца» за несколько лет до публикации работы Шавива, но отложил решение загадки на будущее. Теперь, вернувшись к ней, Свенсмарк попытался оценить, насколько выигрышным для климата могло быть такое поведение Солнца. Сегодня низкие облака отражают или поглощают около 5 процентов поступающего солнечного света. Если детство Земли не было омрачено облаками, то в этом случае до земной поверхности доходило столько солнечного света, сколько дало бы Солнце, если бы оно было на миллиард лет старше и ярче. Тогда 3,8 миллиарда лет назад средняя температура на планете поднялась бы с отметки минус 15 градусов Цельсия до приблизительно минус 10 градусов. В этом случае в самых теплых частях света вода точно могла находиться в жидком состоянии, а вклад парниковых газов должен был быть значительно меньше.