Физики оценили приливный разогрев Луной ранней Земли ( 1 фото )

Вклад приливного нагрева со стороны Луны в температуру поверхности Земли (в градусах Цельсия) в зависимости от времени (в миллиардах лет)

Ren´e Heller et al. / arXiv.org, 2020

Ученые теоретически проанализировали приливные взаимодействия между Землей и Луной и установили, что на масштабе в сто миллионов лет после формирования спутника они могли существенно нагревать планету, увеличивая температуру ее поверхности на несколько градусов Цельсия. Этого вклада недостаточно, чтобы устранить парадокс слабого молодого Солнца — конфликт между надежными свидетельствами теплого климата на ранней Земле и сравнительно низким потоком тепла со стороны звезды, однако в совокупности с другими факторами он, вероятно, позволит приблизиться к решению этой проблемы. Препринт работы доступен на arXiv.org, публикации в рецензируемом журнале на данный момент нет.

Парадокс слабого молодого Солнца — противоречие между палеоклиматическими и астрофизическими данными, которое на сегодняшний день не имеет исчерпывающего объяснения. Исследования геологических пород (изучение формы скал, изотопный анализ) указывают на то, что на ранней Земле (около четырех миллиардов лет назад) имел место влажный и теплый климат. Вместе с тем, согласно современным представлениями об эволюции Солнца, последнее излучало в ту эпоху лишь 70 процентов от нынешней мощности — это может означать, что планета была гораздо (на десятки градусов Цельсия) холоднее и вода на ней должна была замерзнуть.

Считается, что основную роль в поддержании теплого климата на ранней Земле играл парниковый эффект: состав газовой оболочки планеты позволял солнечным лучам эффективно поглощаться у поверхности и в нижних слоях атмосферы, но препятствовал обратному излучению энергии. Тем не менее, этот фактор в отдельности не дает полного решения проблемы — в частности, не объясняет нагрев Земли в первые сотни миллионов лет ее существования, поэтому ученым приходится рассматривать альтернативные сценарии передачи дополнительного тепла и механизмы его сохранения.

Физики из Германии под руководством Рене Хеллера (Rene Heller) из Института Макса Планка по исследованию Солнечной системы проанализировали один из возможных механизмов возникновения дополнительного тепла на ранней Земле — приливный разогрев при взаимодействии планеты с Луной. Суть этого явления в том, что относительное движение гравитационно связанных тел может приводить к их переменным деформациям: недра планеты нагреваются от внутреннего трения и передают тепло на поверхность.

Чтобы оценить количество тепла, которое передавалась Земле таким образом, авторы вычислили полную энергию собственного и орбитального вращения гравитационной пары непосредственно после образования Луны и в наши дни. Для этого ученые воспользовались нынешними наблюдениями орбитальных и собственных периодов вращения тел и оценками соответствующих величин в прошлом, полагая оба небесных тела твердыми шарами постоянной плотности. Затем исследователи предположили, что разность в энергии (которая составила около 99 процентов от первоначального количества) посредством приливных взаимодействий высвобождалась в виде тепла по экспоненциальному закону (то есть скорость передачи энергии была пропорциональна оставшемуся ее запасу). После этого ученые выбирали различную характерную длительность для такого процесса и вычисляли прибавку к температуре поверхности Земли, которую он мог обеспечить.

Согласно результатам расчетов, при типичной продолжительности в сто миллионов лет (в наиболее благоприятном сценарии) приливной разогрев мог на протяжении 150 миллионов лет увеличивать температуру поверхности Земли на 1-5 градусов Цельсия. Такого результата недостаточно, чтобы полностью компенсировать недостаток тепла: для существования жидкой воды необходим нагрев поверхности еще примерно на пять градусов Цельсия, однако эта величина гораздо более существенна, чем считалось ранее. Авторы полагают, что в дальнейших работах этот результат в совокупности с другими оценками позволит приблизиться к пониманию ранней истории нашей планеты и, в частности, к разрешению парадокса слабого молодого Солнца.

Ранее мы рассказывали о том, как недостаток тепла на Земле пытались объяснить при помощи выбросов корональной массы и падения на поверхность планеты массивных метеоритов.

Николай Мартыненко