Солнце и биосфера: парадоксы 4 миллиардов лет взаимного существования
Предмет и цель работы: В статье обсуждается влияние раннего Солнца и параметров формирующейся солнечной системы на возникновение геомагнитного поля и первичной биосферы Земли. Предмет та мета роботи: В статті обговорюється вплив раннього Сонця і параметрів формованої сонячної системи на виникнення г...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Радиофизика и радиоастрономия |
|---|---|
| Datum: | 2017 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Радіоастрономічний інститут НАН України
2017
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/130284 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Солнце и биосфера: парадоксы 4 миллиардов лет взаимного существования / М.В. Рагульская, В.Н. Обридко // Радиофизика и радиоастрономия. — 2017. — Т. 22, № 4. — С. 276-283. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-130284 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Рагульская, М.В. Обридко, В.Н. 2018-02-10T10:25:12Z 2018-02-10T10:25:12Z 2017 Солнце и биосфера: парадоксы 4 миллиардов лет взаимного существования / М.В. Рагульская, В.Н. Обридко // Радиофизика и радиоастрономия. — 2017. — Т. 22, № 4. — С. 276-283. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 1027-9636 PACS: 92.70.Qr DOI: doi.org/10.15407/rpra22.04.276 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/130284 52-54; 577.3 Предмет и цель работы: В статье обсуждается влияние раннего Солнца и параметров формирующейся солнечной системы на возникновение геомагнитного поля и первичной биосферы Земли. Предмет та мета роботи: В статті обговорюється вплив раннього Сонця і параметрів формованої сонячної системи на виникнення геомагнітного поля і первинної біосфери Землі. Методи і методологія: Виконано верифікацію наявних теоретичних моделей раннього Сонця і геомагнітного поля експериментальними палеомагнітними, геологічними й біологічними даними. Purpose: The paper discusses the influence of the early Sun and the Solar System parameters on the paleomagnetic field and the development of life on Earth. Работа поддержана программой Президиума РАН “Эволюция органического мира и планетарных процессов”. ru Радіоастрономічний інститут НАН України Радиофизика и радиоастрономия Радиоастрономия и астрофизика Солнце и биосфера: парадоксы 4 миллиардов лет взаимного существования Сонце і біосфера: парадокси 4 мільярдів років взаємного існування The Sun and the biosphere: the paradoxes of 4 billion years of coexistence Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Солнце и биосфера: парадоксы 4 миллиардов лет взаимного существования |
| spellingShingle |
Солнце и биосфера: парадоксы 4 миллиардов лет взаимного существования Рагульская, М.В. Обридко, В.Н. Радиоастрономия и астрофизика |
| title_short |
Солнце и биосфера: парадоксы 4 миллиардов лет взаимного существования |
| title_full |
Солнце и биосфера: парадоксы 4 миллиардов лет взаимного существования |
| title_fullStr |
Солнце и биосфера: парадоксы 4 миллиардов лет взаимного существования |
| title_full_unstemmed |
Солнце и биосфера: парадоксы 4 миллиардов лет взаимного существования |
| title_sort |
солнце и биосфера: парадоксы 4 миллиардов лет взаимного существования |
| author |
Рагульская, М.В. Обридко, В.Н. |
| author_facet |
Рагульская, М.В. Обридко, В.Н. |
| topic |
Радиоастрономия и астрофизика |
| topic_facet |
Радиоастрономия и астрофизика |
| publishDate |
2017 |
| language |
Russian |
| container_title |
Радиофизика и радиоастрономия |
| publisher |
Радіоастрономічний інститут НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Сонце і біосфера: парадокси 4 мільярдів років взаємного існування The Sun and the biosphere: the paradoxes of 4 billion years of coexistence |
| description |
Предмет и цель работы: В статье обсуждается влияние раннего Солнца и параметров формирующейся солнечной системы на возникновение геомагнитного поля и первичной биосферы Земли.
Предмет та мета роботи: В статті обговорюється вплив раннього Сонця і параметрів формованої сонячної системи на виникнення геомагнітного поля і первинної біосфери Землі. Методи і методологія: Виконано верифікацію наявних теоретичних моделей раннього Сонця і геомагнітного поля експериментальними палеомагнітними, геологічними й біологічними даними.
Purpose: The paper discusses the influence of the early Sun and the Solar System parameters on the paleomagnetic field and the development of life on Earth.
|
| issn |
1027-9636 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/130284 |
| citation_txt |
Солнце и биосфера: парадоксы 4 миллиардов лет взаимного существования / М.В. Рагульская, В.Н. Обридко // Радиофизика и радиоастрономия. — 2017. — Т. 22, № 4. — С. 276-283. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT ragulʹskaâmv solnceibiosferaparadoksy4milliardovletvzaimnogosuŝestvovaniâ AT obridkovn solnceibiosferaparadoksy4milliardovletvzaimnogosuŝestvovaniâ AT ragulʹskaâmv sonceíbíosferaparadoksi4mílʹârdívrokívvzaêmnogoísnuvannâ AT obridkovn sonceíbíosferaparadoksi4mílʹârdívrokívvzaêmnogoísnuvannâ AT ragulʹskaâmv thesunandthebiospheretheparadoxesof4billionyearsofcoexistence AT obridkovn thesunandthebiospheretheparadoxesof4billionyearsofcoexistence |
| first_indexed |
2025-11-27T05:47:02Z |
| last_indexed |
2025-11-27T05:47:02Z |
| _version_ |
1850803111041433600 |
| fulltext |
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 4, 2017276
Радиофизика и радиоастрономия. 2017, Т. 22, № 4, c. 276–283
© М. В. Рагульская, В. Н. Обридко, 2017
М. В. РАГУЛЬСКАЯ, В. Н. ОБРИДКО
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн
им. Н. В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН),
Калужское шоссе, 4, г. Троицк, г. Москва, 108840, Россия
E-mail: 9229val@gmail.com; obridko@mail.ru
ÑÎËÍÖÅ È ÁÈÎÑÔÅÐÀ: ÏÀÐÀÄÎÊÑÛ 4 ÌÈËËÈÀÐÄÎÂ ËÅÒ
ÂÇÀÈÌÍÎÃÎ ÑÓÙÅÑÒÂÎÂÀÍÈß
Предмет и цель работы: В статье обсуждается влияние раннего Солнца и параметров формирующейся солнечной
системы на возникновение геомагнитного поля и первичной биосферы Земли.
Методы и методология: Проведена верификация имеющихся теоретических моделей раннего Солнца и геомагнитного
поля экспериментальными палеомагнитными, геологическими и биологическими данными.
Результаты: Первый миллиард лет совместного существования Солнца и биосферы – это время парадоксов. Один
из основных – так называемый “парадокс слабого молодого Солнца”. Согласно астрофизическим моделям, свети-
мость раннего Солнца была на 30 % меньше, чем сегодня. Это формировало недостаток поступления энергии
на Землю, при котором первые 2.3 млрд лет температура поверхности Земли должна была бы быть ниже точки
замерзания океанской воды, т. е. Земля представляла собой замерзший шар. Однако, согласно палеонтологическим
данным по ископаемым древним организмам, а также геологическим данным, доступная для изучения древняя биосфера
и древние геопороды формировались при средней температуре поверхности Земли более 60 , причем при наличии большо-
го количества жидкой поверхностной воды. Еще одним парадоксом является существенное расхождение времени появле-
ния магнитного поля Земли согласно теоретическим моделям и экспериментальным данным. Теоретические модели
геодинамо дают оценку появления твердого ядра в 1 1.5 млрд лет назад, в то время как по палеомагнитным данным
определяется геомагнитное поле (сопоставимое по величине с нынешним) в цирконах возраста до 4.2 млрд лет.
Заключение: Систематизированы возможные пути разрешения парадокса “слабого молодого Солнца”, геомагнитно-
го парадокса и изотопного ксенонового парадокса. Большинство из них включает в себя рассмотрение земных процес-
сов в зависимости от общей ситуации в ранней Солнечной системе и учета роли биосферы в формировании физических
условий поверхности Земли. Ранняя Земля рассматривается как открытая динамическая система в совокупности
солнечно-земных связей и динамики раннего Солнца, динамики движения и формирования планет ранней Солнечной
системы (например, миграции раннего Юпитера), а также в рамках изучения системы Земля–Луна.
Ключевые слова: раннее Солнце и Солнечная система, влияние солнечного излучения на биосферу, физические условия
на ранней Земле, парадокс “слабого молодого Солнца”, геомагнитный парадокс
DOI: https://doi.org/10.15407/rpra22.04.276
УДК 52-54; 577.3
PACS number: 92.70.Qr
1. Ââåäåíèå
Первый миллиард лет совместного существова-
ния Солнца и биосферы – это время парадоксов.
Самые известные из них – парадокс “слабого
молодого Солнца”, геомагнитный парадокс и ряд
изотопных парадоксов. Парадоксы возникают из-
за противоречия картины, которая складывает-
ся из совместного рассмотрения теоретических
моделей физических условий на ранней Земле
и немногочисленных экспериментальных данных
о первом миллиарде лет существования нашей
планеты. Вопрос о возможности верификации
имеющихся теоретических моделей формирова-
ния Солнечной системы и физических условий
на ранней Земле с точки зрения существования и
развития современного типа жизни подробно
рассматривается в [1]. Книга создана авторским
коллективом по материалам совместного коллок-
виума “Раннее Солнце, физические условия на ран-
ней Земле и происхождение жизни” (ноябрь
2016 г., Государственный астрономический инсти-
тут им. П. К. Штернберга) в рамках сотрудниче-
ства Астрономического общества России и про-
граммы Президиума РАН “Эволюция органичес-
кого мира и планетарных процессов”.
Проблема взаимосуществования Солнца и био-
сферы обоюдоострая: физические условия на-
чала земных времен накладывали ограничения
на возможные варианты жизни (“бытие опреде-
ляет сознание”), а имеющиеся на сегодня аст-
робиологические и палеонтологические данные
об экосистемах ранней Земли позволяют отбра-
сывать те физические модели раннего Солнца,
которые не соответствуют факту и условиям экс-
периментально подтвержденного существования
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 4, 2017 277
Солнце и биосфера: парадоксы 4 миллиардов лет взаимного существования
биосистем. Например, в реальности вопрос о
возрасте магнитного поля Земли и температу-
ре ранней Земли, скорее всего, будет решен исхо-
дя из оптимальных условий существования пер-
вых белковых структур, а не из предпочтений маг-
нитогидродинамики. И, наоборот, из нескольких
моделей возможных мест и механизмов пер-
вичного зарождения жизни предпочтительнее
те, которые объясняют, каким образом первые
организмы противостояли суперактивному раз-
рушающему воздействию излучения древнего
Солнца.
Для существования любого процесса нужна
энергия. У биосферы есть только два глобаль-
ных источника энергии – энергия Солнца и зем-
ных недр. Солнце – основной источник энергии
для всех планет солнечной системы, его динамика
модулирует все пространственно-временные зако-
номерности межпланетной среды в гелиосфере.
Динамика молодого Солнца и физические усло-
вия на ранней Земле, безусловно, определяли
формирование земной биосферы.
2. Ðàííåå Ñîëíöå
Возраст Солнца определяется по возрасту старей-
шего метеоритного вещества примерно в 4.56
млрд лет. Земля немного моложе Солнца, ей око-
ло 4.5 млрд лет. Первыми из планет образовались
газовые планеты-гиганты, собрав в себя основ-
ную массу из газопылевого облака будущей Сол-
нечной системы. Миграция Юпитера и Сатурна
по Солнечной системе остановила рост Земли
и позволила ей существовать в привычном для нас
диапазоне современных физических характерис-
тик (масса, место расположения в ряду других
планет, наличие магнитного поля и атмосферы).
На данный момент подтверждена оценка общей
длительности завершающего этапа роста Земли
– около 100 млн лет от начала образования из про-
топланетного диска.
Молодое Солнце сильно отличалось от совре-
менного. Общая картина современных представ-
лений о строении и эволюции звезд солнечного
типа, самого Солнца и первых 0.5 1 млрд лет
его существования строится на основе наблюде-
ний за солнцеподобными звездами (программа
“Солнце во времени”). Молодое Солнце (1 млрд
лет), вероятно, имело период вращения вокруг
своей оси около 10 дней. В ту эпоху активность
Солнца была более высокой, чем сейчас, но ме-
нее регулярной. Затем установились циклы, но их
амплитуды менялись: последовательности высо-
ких циклов сменялись эпохами низкой активности.
Электромагнитное излучение Солнца на этих эта-
пах эволюции в оптическом диапазоне менялось
незначительно, однако в мягком рентгеновском
диапазоне (0.15 4 кэВ, короче 90 Å) отношение
рентгеновской светимости молодого Солнца к его
полной (болометрической) светимости было в
1000 раз больше, чем в обычный максимум сол-
нечной активности в современную эпоху. То же
относится к интенсивности солнечных космичес-
ких лучей.
3. Ïàðàäîêñ ñëàáîãî ìîëîäîãî Ñîëíöà
Один из основных парадоксов существования ран-
ней биосферы – так называемый “парадокс сла-
бого молодого Солнца”. Согласно астрофизичес-
ким моделям, светимость раннего Солнца была
на 30 % меньше, чем сегодня. Этот вывод бази-
руется на предположении, что на стадии главной
последовательности светимость Солнца обеспе-
чивается ядерными реакциями. Низкая свети-
мость формировала недостаток поступления энер-
гии на Землю, при котором первые 2.3 млрд лет
температура поверхности Земли должна была бы
быть ниже точки замерзания океанской воды,
т. е. Земля представляла собой замерзший шар.
Однако, согласно палеонтологическим данным об
ископаемых древних биоструктурах и данным ге-
нетического моделирования первых биосистем,
для существования этих видов живых организмов
средняя температура поверхности Земли наобо-
рот должна была быть намного горячее, чем се-
годня, – более 60 °C. Геологические данные так-
же указывают на то, что древние породы форми-
ровались в присутствии большого количества
жидкой поверхностной воды в течение всех пос-
ледних 4 млрд лет. На верхней панели рис. 1
приведена кривая болометрической светимости
Солнца, а на нижней панели – динамика измене-
ния температуры поверхности Земли (нижняя
кривая), количества кислорода (средняя кривая)
и воды (верхняя кривая) за последние 4 млрд лет
([1], глава 20).
Рассмотрим этот вопрос немного подробнее.
Светимость Солнца – полная мощность, излу-
чаемая нашей звездой. Спутниковые болометри-
278 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 4, 2017
М. В. Рагульская, В. Н. Обридко
ческие измерения позволили определить ее с
хорошей точностью, в настоящий момент она
равна 33(3.844 0.001) 10 эрг / с. Изменения в
химическом составе Солнца в процессе ядерных
реакций приводят к тому, что наша звезда мед-
ленно меняет светимость, радиус и период вра-
Рис. 1. Парадокс слабого молодого Солнца. Верхняя панель – болометрическая светимость Солнца за время его эволюции
в течение последних 4.6 млрд лет по стандартной модели (сплошная линия) и в аппроксимации (штриховая линия).
По горизонтальной оси – миллиарды лет, по вертикальной – эволюция солнечной светимости относительно современной
(современная светимость принята за единицу). Нижняя панель – динамика количества кислорода, воды и температуры
поверхности Земли за последние 4 млрд лет и время появления основных биосферных видов (верхняя часть панели).
Из работы А. Ю. Розанова ([1], глава 20)
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 4, 2017 279
Солнце и биосфера: парадоксы 4 миллиардов лет взаимного существования
щения со временем. За время ее эволюции све-
тимость увеличилась почти в 1.5 раза, период
вращения увеличился с 8 10 дней в первый
миллиард лет до 27 29 в настоящее время,
а потеря массы составила около 3 % (при исполь-
зовании стандартной солнечной модели).
Стандартная солнечная модель – результат
расчета эволюции звезды массой в 1 Солнце при
условии, что при возрасте 4.6 млрд лет свети-
мость и радиус звезды равны современным сол-
нечным значениям. Калибровка осуществляется
путем подгонки двух величин: содержания гелия
(которое из наблюдений не определяется) и пара-
метра теории конвекции. Используются также
некоторые упрощения: полная сферическая сим-
метрия задачи, отсутствие аккреции и потери
массы, без перемешивания вне областей конвек-
ции и др. Согласно стандартной модели, свети-
мость раннего Солнца составляла 70 % от совре-
менного значения. При этом точка замерзания
океанской воды 275 К соответствует 0.843 со-
временной светимости. То есть при сохранении
современных значений альбедо и излучательной
способности половину своей жизни Земля должна
была провести без жидкой воды на поверхности.
Из совокупности экспериментальных геологичес-
ких, палеонтологических и биологических данных
известно, что это не так.
Какие же есть пути решения парадокса?
Их три. Можно предположить, что в эпоху начала
земных времен было
1) другое Солнце,
2) другая Земля,
3) другое взаиморасположение Земли и Солнца.
В рамках первой версии можно рассмотреть
изменение спектрального состава солнечного
излучения. Однако эффективная температура
за 4.6 млрд лет выросла незначительно, от 5650
до 5770 К. На рис. 2 показан спектральный сос-
тав излучения Солнца за границей атмосферы
(точки). Спектр современного Солнца в видимой
области близок к спектру абсолютно черного тела
с температурой 5770 К. Сдвиг спектра в красную
область, вызванный понижением эффективной
температуры до 5650 К (как у молодого Солнца),
незначителен. Поток энергии от молодого Солн-
ца аппроксимирован кривой для абсолютно чер-
ного тела с температурой 5650 К. Из рис. 2 вид-
но, что увеличение потока излучения в красной
области спектра, вызванное сдвигом температу-
ры Солнца, гораздо меньше общего ослабления
потока, вызванного уменьшением светимости ([1],
глава 2).
В рамках современных представлений об эво-
люции звезд неизбежен рост светимости в про-
цессе эволюции вследствие вызванного термо-
ядерными реакциями изменения химического
состава плазмы в ядре. Превращение водорода в
гелий вызывает увеличение молекулярного ве-
са вещества в ядре звезды. Осаждение гелия
и тяжелых элементов усиливает этот процесс.
Увеличение молекулярного веса приводит к
уменьшению давления, но давление должно
компенсировать вес вышележащих слоев. Для
поддержания давления на нужном уровне цент-
ральные области звезды сжимаются и разогре-
ваются. Увеличение концентрации массы к цен-
тру приводит к тому, что для сохранения гид-
ростатического равновесия необходимо еще
большее давление в центре, что дополнительно
усиливает эффект разогрева и уплотнения ядра
звезды. Это приводит к тому, что энерговыде-
ление увеличивается, и с ним увеличивается све-
тимость. Если внести существенные искусствен-
ные изменения в физику плазмы раннего Солнца
путем вариации параметров сечения рассеяния,
химического состава или предположения полно-
го перемешивания, то даже такие модели не ре-
Рис. 2. Спектральный состав излучения Солнца (точки)
и абсолютно черного тела при эффективных температурах,
соответствующих современному Солнцу и ZAMS (Zero
Age Main Sequence – главная последовательность нулевого
возраста). По вертикальной оси – поток излучения на зем-
ной орбите, нормированный так, что максимум потока для
абсолютно черного тела равен 1. Из работы В. А. Батурина
и др. ([1], глава 2)
280 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 4, 2017
М. В. Рагульская, В. Н. Обридко
шают проблему “тусклого молодого Солнца”.
Самые оптимистичные из них дают 80 % све-
тимости от современного состояния (напомним,
температура размерзания океанов соответст-
вует 0.843 современной светимости Солнца).
То есть нестандартные модели раннего Солнца,
представленные на рис. 3 ([1], глава 4), также
не дают необходимую компенсацию солнечной
светимости.
Интересной гипотезой представляется допу-
щение значительной потери массы Солнцем в
процессе эволюции. Более массивное Солнце было
бы более ярким, и Земля была бы ближе к нему.
Истечения 7 % массы за время эволюции было
бы достаточно, но пока нет никаких данных,
которые бы подтверждали столь значительную
потерю массы Солнцем. В работах М. А. Лиф-
шица и М. М. Кацовой указывается, что данные
наблюдений за солнцеподобными звездами по-
зволяют предположить не более 3 % потери мас-
сы нашей звездой за все время ее существова-
ния ([1], глава 5).
Другой возможностью “приблизить” молодую
Землю к Солнцу является захват Протоземли
массивной системой Юпитер–Сатурн во время
миграции раннего Юпитера внутрь Солнечной
системы. “Приближение” к Солнцу могло соста-
вить в этом случае более 15 % от современно-
го расстояния от Земли до Солнца. Однако, по
оценкам, процесс миграции продолжался не бо-
лее 100 млн лет первичной эволюции Солнечной
системы, что не компенсирует недостаток энер-
гии для поверхности Земли в последующее вре-
мя эволюции биосферы.
Наиболее часто обсуждаемым и перспектив-
ным путем выхода из “парадокса раннего Солн-
ца” являются предположения о других условиях
на самой ранней Земле.
Предполагается, что ранняя Земля имела дру-
гие альбедо и теплоизлучение. Факторами, влияю-
щими на этот процесс, могли быть
– другой состав атмосферы с увеличенным
содержанием парниковых газов;
– геотермальная суперактивность, обеспечи-
вающая интенсивный подогрев поверхности ли-
тосферой;
– активные биогенные факторы, участвующие
в изменении альбедо в планетарном масштабе;
– другая гравитационная постоянная.
Первый вариант активно обсуждается в ли-
тературе, четвертый является слишком экзоти-
ческим. Е. Г. Храмовой была предложена инте-
ресная идея о существовании планетарных био-
генных пленок на поверхности древних океанов
([1], глава 6). Наличие масштабных пленок из
добиологического или биологического органичес-
кого вещества на поверхности океанов могло обес-
печивать следующие эффекты:
1) уменьшение влажности – уменьшение аль-
бедо за счет уменьшения облачности;
2) уменьшение влажности – увеличение пото-
ка инфракрасного солнечного излучения, достиг-
шего поверхности Земли;
3) возможное увеличение температуры океана
за счет уменьшения парообразования;
4) изменение соотношения концентраций угле-
кислого газа в океане и в атмосфере;
5) постоянно пополняемый источник парнико-
вых газов;
6) зависимость парникового эффекта от сол-
нечной активности;
7) механизм саморегуляции (химический, а
позже и биологический).
Гипотеза о более активном геотермальном
подогреве поверхности ранней Земли за счет
литосферных процессов также представляется
весьма перспективной. В моноварианте она не
дает нужной компенсации недостатка тепла, од-
нако возможно рассмотрение этой гипотезы в
сочетании с гипотезой ранней атмосферы с по-
вышенным содержанием парниковых газов.
Рис. 3. Динамика солнечной светимости в последние 4.6 млрд
лет в соответствии с нестандартными моделями раннего
Солнца (с полным перемешиванием, разными сечениями рас-
сеяния и составами ядра Солнца). Из работы С. В. Аюкова
и др. ([1], глава 4)
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 4, 2017 281
Солнце и биосфера: парадоксы 4 миллиардов лет взаимного существования
4. Ãåîìàãíèòíûé ïàðàäîêñ
При наличии крайне интенсивных солнечных и
галактических космических лучей еще одним за-
щитным физическим фактором, исключительно
важным для развития биосферы, является нали-
чие магнитного поля Земли. Вопрос о точном вре-
мени его возникновения до сих пор остается дис-
куссионным. Считается, что происхождение маг-
нитных полей в разнообразных небесных телах,
включая Землю, связано, как правило, с работой
механизма динамо, который можно понимать как
преобразование кинетической энергии движущей-
ся проводящей среды в энергию магнитного поля.
Палеомагнитные исследования показывают, что
уже 4.2 млрд лет назад значения геомагнитного
поля были сравнимы с современными. При этом
имеющиеся основные теоретические модели гео-
динамо постулируют возникновение твердого ядра
Земли и композиционной конвекции, необходимых
для существования магнитного поля Земли, не
ранее 1 1.5 млрд лет назад. В этом состоит так
называемый “геомагнитный парадокс”.
По 25 цирконам возраста между ~ 3.26 и ~ 4.22
млрд лет регистрируется палеонапряженность в
диапазоне от 4 до 29 мТл (метод Телье–Коэ).
Набор экспериментальных данных о магнитном
поле ранней Земли приведен на рис. 4.
Видно, что напряженность геомагнитного поля,
сравнимая, а иногда даже превышающая совре-
менные значения, фиксируется уже 4 млрд лет
назад, т. е. задолго до начала того процесса кри-
сталлизации жидкого ядра (не древнее 2.5 млрд.
лет), который якобы и обуславливает действие
геодинамо за счет композиционной конвекции.
Одним из путей решения геомагнитного пара-
докса могло бы быть предположение об образо-
вании твердого ядра одновременно с образова-
нием Земли. В модели Старченко ([1], глава 9)
предполагается, что твердое ядро Земли не кри-
сталлизовалось из жидкого (как в классических
динамо-моделях), а представляет собой прото-
планетный зародыш, на котором началась гете-
рогенная аккреция. Такое протоядро состоит из
смеси железоникелевого сплава и силикатного
хондритового вещества. Геосфера жидкого ядра
формируется из внешних частей планеты и, опус-
каясь к центру планеты, медленно разрушает
протоядро посредством поверхностной эрозии.
Освобождающееся при этом силикатное вещество
всплывает в жидком ядре, обуславливая компози-
ционную конвекцию, преимущественно поддержи-
вающую геодинамо. Модельные расчеты показы-
вают, что гравитационная энергия от такого всплы-
вания достаточна для перегрева подошвы нижней
мантии и формирования плюмов.
Рис. 4. Палеомагнитные данные, пролученные в результате исследования австралийских цирконов возраста 3.2 4.2 млрдд
лет (современный уровень выделен полосой). Из работы Тардуно и др. ([2])
282 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 4, 2017
М. В. Рагульская, В. Н. Обридко
Возможны и другие варианты формирования
твердого ядра Земли и возникновения геомагнит-
ного поля в самое раннее время существования
нашей планеты, например:
– образование твердого ядра в открытой сис-
теме Земля–Луна,
– образование твердого ядра в результате
многочисленных мелких импактов планетезема-
лей ([1], главы 7 и 10),
– образование твердого ядра и запуск геоди-
намо под воздействием приливных волн массив-
ного мигрирующего Юпитера.
5. Èçîòîïíûé êñåíîíîâûé ïàðàäîêñ
Информация, указывающая на изотопные харак-
теристики источника энергетической активности
ядра, приводит к еще одному парадоксу – изотоп-
ному ксеноновому парадоксу.
Его суть состоит в том, что в мантийных маг-
матических породах, предположительно связы-
ваемых с плюмами, распознается компонент пер-
вичных благородных газов в сочетании с изото-
пом 129Хе. Отсюда следует, что в формировании
плюмов принимает участие какое-то вещество,
которое стало геохимически замкнутым до рас-
пада короткоживущего изотопа 129I, т. е. около
4.5 млрд лет.
В то же время в этом газовом компоненте
мантийных производных практически полностью
отсутствует изотоп 136Хе, возникающий при рас-
паде существенно более долгоживущего 244Pu.
Для его удаления требуется геохимическая от-
крытость системы как минимум 500 млн лет
после начала аккреции.
Это противоречие объясняется смешением
газовых компонентов двух различных источни-
ков вещества, один из которых представлен глав-
ным мантийным резервуаром, который был ин-
тенсивно дегазирован в ходе планетарной эволю-
ции, а другой каким-то скрытым резервуаром,
который сохраняет геохимическую замкнутость
в течение 4.5 млрд лет, являясь поставщиком
первичных благородных газов и изотопа 129Хе.
Предполагается, что таким вторым источником
служит твердое ядро Земли, возникшее практи-
чески одновременно с формированием нашей
планеты [3]. Изотопный ксеноновый парадокс
служит косвенным подтверждением того, что
магнитосфера Земли сформировалась практичес-
ки одновременно с нашей планетой.
6. Çàêëþ÷åíèå
Первый миллиард лет совместного существова-
ния Солнца и биосферы – это время парадоксов.
Имеющиеся внутренне непротиворечивые тео-
ретические физические модели зачастую проти-
воречат скудным экспериментальным данным
о биосфере, литосфере и атмосфере древней
Земли. В статье систематизированы возможные
пути разрешения парадокса “слабого молодого
Солнца”, геомагнитного парадокса и изотопного
ксенонового парадокса. Большинство из них вклю-
чает в себя рассмотрение земных процессов в за-
висимости от общей ситуации в ранней Солнеч-
ной системе и учета роли биосферы в формиро-
вании физических условий поверхности Земли.
Ранняя Земля рассматривается как открытая ди-
намическая система в совокупности солнечно-
земных связей и динамики раннего Солнца, дина-
мики движения и формирования планет ранней
Солнечной системы (например, миграции ранне-
го Юпитера), а также в рамках изучения систе-
мы Земля–Луна.
Работа поддержана программой Президиума РАН
“Эволюция органического мира и планетарных
процессов”.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
01. Жизнь и Вселенная / Под ред. В. Н. Обридко,
М. В. Рагульской. – М.: Издательство ВВМ, 2017. –
335 с. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://
www.izmiran.ru/pub/izmiran/Life-n-Universe.pdf
02. Tarduno J. A., Cottrell R. D., Davis W. J., Nimmo F., and
Bono R. K. A Hadean to Paleoarchean geodynamo recor-
ded by single zircon crystals // Science. – 2015. – Vol. 349,
Is. 6247. – P. 521–524. DOI: 10.1126/science.aaa9114
03. Starchenko S. V. and Pushkarev Y. D. Magnetohydro-
dynamic scaling of geodynamo and planetary protocore
concept // Magnetohydrodynamics. – 2013. – Vol. 49,
No. 1. – P. 35–42.
REFERENCES
01. OBRIDKO, V. N. and RAGULSKAYA, M. V., eds. 2017.
Life and the Universe [online]. Moscow, Russia: BBM
Publ. [viewed 20 November 2017]. Available from http://
www.izmiran.ru/pub/izmiran/Life-n-Universe.pdf
02. TARDUNO, J. A., COTTRELL, R. D., DAVIS, W. J.,
NIMMO, F. and BONO, R. K., 2015. A Hadean to Pa-
leoarchean geodynamo recorded by single zircon crystals.
Science. vol. 349, is. 6247, pp. 521–524. DOI: 10.1126/
science.aaa9114
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 4, 2017 283
Солнце и биосфера: парадоксы 4 миллиардов лет взаимного существования
03. STARCHENKO, S. V. and PUSHKAREV, Y. D., 2013.
Magnetohydrodynamic scaling of geodynamo and pla-
netary protocore concept. Magnetohydrodynamics. vol. 49,
no. 1, pp. 35–42.
M. V. Ragulskaya and V. N. Obridko
N. V. Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism,
Ionosphere and Radio Wave Propagation,
Russian Academy of Sciences, (IZMIRAN),
4, Kaluzhskoe Hwy, Troitsk, Moscow, 108840, Russia
THE SUN AND THE BIOSPHERE: THE PARADOXES
OF 4 BILLION YEARS OF COEXISTENCE
Purpose: The paper discusses the influence of the early Sun
and the Solar System parameters on the paleomagnetic field and
the development of life on Earth.
Design/methodology/approach: The available theoretical mo-
dels of the early Sun and the geomagnetic field were verified by
experimental paleomagnetic, geological and biological data.
Findings: The first billion of years of coexistence of the Sun and
biosphere is the time of paradoxes. One of the major being the
so-called “faint young Sun paradox”. According to astrophysical
models, the luminosity of the young Sun had to be by 30 %
lower than it is today. This had formed the scarcity of energy
coming to the Earth at which for the first 2.3 billion years the
Earth surface temperature should be below the ocean water freezing
point, i.e. the Earth was a frozen sphere. However, according
to paleontologic data on fossilized ancient organisms, and also to
geological data, the traceable ancient biosphere and ancient geostrata
were formed at an average Earth surface temperature above 60 ,
and in the presence of a large quantity of liquid surface water.
One more paradox is the essential mistiming in the occurrence of
the Earth magnetic field according to theoretical models and expe-
rimental data. Theoretical models of the geodynamo state can eva-
luate the occurrence of a solid core about 1 1 5. billion years ago,
whereas by paleomagnetic data, the geomagnetic field (comparable
in value to that recently measured), measured in zircons aged to
4.2 billion years can be determined.
Сonclusions: Possible ways of resolving “the weak young Sun”
paradox, the geomagnetic paradox and the isotope xenon para-
dox are systematized. The majority of them includes conside-
ration of the terrestrial processes depending on the general situa-
tion in the early Solar System and accounting for the biosphere
role in formation of the Earth surface physical conditions.
The early Earth is considered as open dynamic system in the
aggregate of solar-terrestrial relationship and the early Sun dy-
namics, dynamics of movement and formation of planets of the
early Solar System (for example, migrations of early Jupiter),
as well as within the limits of studying the Earth-Moon system.
Key words: early Sun and Solar System, influence of solar radia-
tion on the biosphere, physical conditions on the early Earth,
“the faint young Sun paradox”, the geomagnetic paradox
М. В. Рагульська, В. Н. Обрідко
Інститут земного магнетизму, іоносфери та поширення
радіохвиль ім. М. В. Пушкова РАН (ІЗМІРАН),
Калузьке шосе, 4, м. Троїцьк, м. Москва, 108840, Росія
СОНЦЕ І БІОСФЕРА: ПАРАДОКСИ 4 МІЛЬЯРДІВ
РОКІВ ВЗАЄМНОГО ІСНУВАННЯ
Предмет та мета роботи: В статті обговорюється вплив
раннього Сонця і параметрів формованої сонячної системи
на виникнення геомагнітного поля і первинної біосфери Землі.
Методи і методологія: Виконано верифікацію наявних тео-
ретичних моделей раннього Сонця і геомагнітного поля екс-
периментальними палеомагнітними, геологічними й біологі-
чними даними.
Результати: Перший мільярд років спільного існування
Сонця і біосфери – це час парадоксів. Один з основних – так
званий “парадокс слабкого молодого Сонця”. Згідно з астро-
фізичними моделями, світність раннього Сонця була на 30 %
меншою, ніж сьогодні. Це формувало нестачу надходження
енергії на Землю, за якої перші 2.3 млрд років температура
поверхні Землі мала б бути нижчою точки замерзання оке-
анської води, тобто Земля була замерзлим шаром. Однак,
згідно з палеонтологічними даними щодо викопних древніх
організмів, а також геологічними даними, доступна для вив-
чення древня біосфера і стародавні геопороди формувалися
за середньої температури поверхні Землі понад 60 , причо-
му за наявності великої кількості рідкої поверхневої води.
Ще одним парадоксом є суттєва розбіжність часу появи маг-
нітного поля Землі згідно з теоретичними моделями й експе-
риментальними даними. Теоретичні моделі геодинамо дають
оцінку появи твердого ядра в 1 1 5. млрд років тому, в той
час як за палеомагнітними даними визначається геомагнітне
поле (порівнянне за величиною з нинішнім) в цирконах віком
до 4.2 млрд років.
Висновок: Систематизовано можливі шляхи вирішення па-
радоксу “слабкого молодого Сонця”, геомагнітного парадок-
су та ізотопного ксенонового парадоксу. Більшість з них
містить у собі розгляд земних процесів залежно від загальної
ситуації в ранній Сонячній системі і врахування ролі біосфе-
ри у формуванні фізичних умов поверхні Землі. Рання Зем-
ля розглядається як відкрита динамічна система в сукуп-
ності сонячно-земних зв’язків та динаміки раннього Сонця,
динаміки руху і формування планет ранньої Сонячної систе-
ми (наприклад, міграції раннього Юпітера), а також в рамках
вивчення системи Земля–Місяць.
Ключові слова: раннє Сонце і Сонячна система, вплив соняч-
ного випромінювання на біосферу, фізичні умови на ранній
Землі, парадокс “слабкого молодого Сонця”, геомагнітний
парадокс
Статья поступила в редакцию 26.10.2017
|