Фізики оцінили приливний розігрів Місяцем ранньої Землі

Вчені теоретично проаналізували приливні взаємодії між Землею і Місяцем і встановили, що на масштабі в сто мільйонів років після формування супутника вони могли істотно нагрівати планету, збільшуючи температуру її поверхні на кілька градусів Цельсія. Цього внеску недостатньо, щоб усунути парадокс слабкого молодого Сонця - конфлікт між надійними свідченнями теплого клімату на ранній Землі і порівняно низьким потоком тепла з боку зірки, проте в сукупності з іншими факторами він, ймовірно, дозволить наблизитися до вирішення цієї проблеми. Препринт роботи доступний на arXiv.org, публікації в рецензованому журналі на даний момент немає.

Парадокс слабкого молодого Сонця - протиріччя між палеокліматичними та астрофізичними даними, яке на сьогоднішній день не має вичерпного пояснення. Дослідження геологічних порід (вивчення форми скель, ізотопний аналіз) вказують на те, що на ранній Землі (близько чотирьох мільярдів років тому) мав місце вологий і теплий клімат. Разом з тим, згідно з сучасними уявленнями про еволюцію Сонця, останнє випромінювало в ту епоху лише 70 відсотків від нинішньої потужності - це може означати, що планета була набагато (на десятки градусів Цельсія) холодніше і вода на ній повинна була замерзнути.

Вважається, що основну роль у підтримці теплого клімату на ранній Землі відігравав парниковий ефект: склад газової оболонки планети дозволяв сонячним променям ефективно поглинатися біля поверхні і в нижніх шарах атмосфери, але перешкоджав зворотному випромінюванню енергії. Тим не менш, цей фактор окремо не дає повного вирішення проблеми - зокрема, не пояснює нагрів Землі в перші сотні мільйонів років її існування, тому вченим доводиться розглядати альтернативні сценарії передачі додаткового тепла і механізми його збереження.

Фізики з Німеччини під керівництвом Рене Хеллера (Rene Heller) з Інституту Макса Планка з дослідження Сонячної системи проаналізували один з можливих механізмів виникнення додаткового тепла на ранній Землі - приливний розігрів при взаємодії планети з Місяцем. Суть цього явища в тому, що відносний рух гравітаційно пов'язаних тіл може призводити до їх змінних деформацій: надра планети нагріваються від внутрішнього тертя і передають тепло на поверхню.

Щоб оцінити кількість тепла, яке передавалася Землі таким чином, автори вирахували повну енергію власного та орбітального обертання гравітаційної пари безпосередньо після утворення Місяця і в наші дні. Для цього вчені скористалися нинішніми спостереженнями орбітальних і власних періодів обертання тіл і оцінками відповідних величин у минулому, вважаючи обидва небесних тіла твердими кулями постійної щільності. Потім дослідники припустили, що різниця в енергії (яка склала близько 99 відсотків від початкової кількості) за допомогою приливних взаємодій вивільнялася у вигляді тепла за експоненційним законом (тобто швидкість передачі енергії була пропорційна залишився її запасу). Після цього вчені вибирали різну характерну тривалість для такого процесу і вираховували надбавку до температури поверхні Землі, яку він міг забезпечити.

Згідно з результатами розрахунків, при типовій тривалості в сто мільйонів років (у найбільш сприятливому сценарії) приливний розігрів міг протягом 150 мільйонів років збільшувати температуру поверхні Землі на 1-5 градусів Цельсія. Такого результату недостатньо, щоб повністю компенсувати нестачу тепла: для існування рідкої води необхідний нагрів поверхні ще приблизно на п'ять градусів Цельсія, однак ця величина набагато більш істотна, ніж вважалося раніше. Автори вважають, що в подальших роботах цей результат у сукупності з іншими оцінками дозволить наблизитися до розуміння ранньої історії нашої планети і, зокрема, до вирішення парадоксу слабкого молодого Сонця.

Раніше ми розповідали про те, як нестачу тепла на Землі намагалися пояснити за допомогою викидів корональної маси і падіння на поверхню планети масивних метеоритів.