かすかな若い太陽のパラドックス

若い太陽の弱いパラドックス、または若い太陽の弱い問題とは、地球の歴史の初期に液体の水が観測されたことと、その時代の太陽の放射量は現代の70%に過ぎないという天体物理学的予測との間の明らかな矛盾を説明しています。 ^[1]パラドックスは次のとおりです。若い太陽の放射量が現在の70%に過ぎないため、初期の地球は完全に凍結していると予想されますが、初期の地球には液体の水があり^[2]、生命を支えていたようです。^[3]

この問題は、1972年に天文学者のカール・セーガンとジョージ・マレンによって提起されました。 ^[4] このパラドックスの解決策として提案されているのは、温室効果、惑星のアルベドの変化、天体物理学的影響、またはこれらの組み合わせです。有力な説は、温室効果ガスである二酸化炭素が地球の温暖化に最も寄与しているというものです。 ^[5]

恒星構造モデル、特に標準太陽モデル^{[7]は、太陽が明るくなることを予測しています。太陽の明るさは、太陽の中心核での}核融合により、単位質量あたりの粒子数が、陽子と電子がそれぞれ4つから、ヘリウム原子核1つと電子2つに減少することによって生じます。粒子が少なければ、圧力も少なくなります。巨大な重力による崩壊は温度の上昇によって防がれ、これは核融合率の上昇の原因であり結果でもあります。

最近のモデリング研究では、太陽の明るさは現在46億年前（Ga）の1.4倍であり、その明るさの加速がかなり進んでいることが示されています。^[8]太陽の表面では、核融合エネルギーの増加は太陽の光度の増加を意味し（温度と半径のわずかな増加を介して）、地球では放射強制力と呼ばれています。

セーガンとマレンは、このパラドックスの説明の中で、高濃度のアンモニアガスNH ₃によって解決できるかもしれないと示唆した。^[4]しかし、その後、アンモニアは効果的な温室効果ガスであるが、大気中で光化学的に容易に破壊され、窒素（N ₂）と水素（H ₂）ガスに変換されることが示された。 ^[9]光化学的ヘイズがアンモニアのこの破壊を防ぎ、この間も温室効果ガスとして作用し続けることを可能にした可能性があると示唆された（再びセーガンによる）。^[10]しかし、2001年までに、この考えは光化学モデルを使用してテストされ、否定された。^[11]さらに、そのようなヘイズはその下の地球の表面を冷却し、温室効果を打ち消したと考えられている。^[11] 2010年頃、コロラド大学の学者たちはこの考えを復活させ、ヘイズがフラクタルパターンを形成する場合、アンモニア仮説は実行可能な寄与因子であると主張した。^{[12] [13]}

現在では、太陽放射が低かったこの時期に二酸化炭素の濃度が高かったと考えられています。これは、1970年代後半に地球の大気の進化の一部として初めて提案され、テストされました。現在の大気レベル（またはPAL）の約1,000倍の濃度を含む大気は、地球の炭素循環と太陽の進化の進化経路と一致することがわかりました。^{[14] [15] [16]}

_{このような高いCO2}濃度を達成する主なメカニズムは炭素循環です。長い時間スケールでは、炭酸塩-ケイ酸塩循環として知られる炭素循環の無機部門が、大気と地球表面の間の_CO2の分配を決定する役割を果たしています。特に、地表温度が低い時期には降雨量と風化率が減少し、50万年の時間スケールで大気中の二酸化炭素が蓄積されることになります。^[17]

具体的には、地球を3次元にわたって変化するものではなく、単一の点として表す1次元モデルを使用して、科学者は、45億年前、太陽が30％暗くなった時点で、氷点以上の表面温度を維持するために、最低0.1バールのCO2分圧が必要であることを決定し_ました。10バールのCO2が_妥当な上限として提案されています。^{[15] [18]}

二酸化炭素濃度については、いまだ議論が続いている。2001年、スリープとザーンレは、地殻変動が活発な若い地球では、海底の風化が進んだことで二酸化炭素濃度が低下した可能性があると示唆した。^[19]その後、2010年にロージングらは縞状鉄鉱層と呼ばれる海洋堆積物を分析して、酸化鉱物の磁鉄鉱（Fe ₃ O ₄ ）と還元鉱物の菱鉄鉱（FeCO _{3 ）を含む、}鉄分を豊富に含むさまざまな鉱物を大量に発見し、それらが地球の歴史の前半に形成された（後半ではない）ことを突き止めた。鉱物の相対的な共存は、CO ₂とH ₂の間に類似したバランスがあることを示唆した。この分析で、ロージングらは大気中のH _2濃度を生物的メタン生成による調節と関連付けた。したがって、メタン（CH ₄ ）を生成する嫌気性の単細胞生物が、二酸化炭素に加えて温暖化に寄与した可能性がある。^{[20] [21]}

かつて月は地球にかなり近かったため、地球の自転速度は現在よりも速く、その結果、現在よりも大きな潮汐加熱が生じていました。当初の推定では、初期の潮汐加熱でさえ最小限で、おそらく 1 平方メートルあたり 0.02 ワット程度でした。(比較すると、地球の大気に入射する太陽エネルギーは 1 平方メートルあたり 1,000 ワット程度です。)

しかし、2021年頃、ドイツのルネ・ヘラー率いるチームは、そのような推定は単純すぎると主張し、いくつかの妥当なモデルでは、潮汐加熱は1平方メートルあたり10ワット程度寄与し、1億年のタイムスケールで平衡温度を最大5℃上昇させた可能性があると主張した。このような寄与はパラドックスを部分的に解決するだろうが、温室効果加熱などの追加要因なしに、微弱な若いパラドックスを単独で解決するには不十分である。^{[22]ただし、}ロッシュ限界のすぐ外側で月が形成されたという基本的な仮定は確実ではない。磁化された破片の円盤が角運動量を輸送し、より質量の小さい月がより高い軌道に浮かび上がった可能性がある。 ^[23]

イスラエル系アメリカ人物理学者ニール・シャヴィフが提唱する少数派の見解は、太陽風の気候学的影響とデンマーク人物理学者ヘンリク・スヴェンスマルクの宇宙線の冷却効果に関する仮説を組み合わせたものである。^[24]シャヴィフによれば、初期の太陽はより強い太陽風を放出し、宇宙線に対する保護効果を生み出していた。その初期の時代には、今日に匹敵する中程度の温室効果で、地球がほとんど氷のない状態であったことを説明するのに十分であっただろう。初期の太陽がより活発であった証拠は、隕石で発見されている。^[25]

24億年前頃の気温最低は、天の川銀河の星形成率の変動による宇宙線フラックスの変調と連動している。その後、太陽の影響が減少すると、宇宙線フラックスの影響が強くなり、それが気候の変動と関係しているのではないかと推測されている。

より強い太陽風という形での、まだ若く暗い太陽からの質量損失が、温室効果ガス強制による低温を補った可能性があるという説が、何度か提唱されてきた。^[26]この枠組みでは、初期の太陽は長期間にわたり太陽風出力が高かった。太陽系外惑星のデータに基づくと、これにより太陽の一生を通じて5〜6%の質量損失が発生し、^[27]太陽の光度はより安定したレベルになった（初期の太陽の質量は大きかったため、予測よりも多くのエネルギー出力が得られた）。

始生代の温暖な気候を説明するには、この質量損失が約10億年にわたって起こったに違いない。隕石や月のサンプルからのイオン注入の記録は、太陽風のフラックスの上昇率が1億年しか続かなかったことを示している。若い太陽のような恒星π1おおぐま座の観測結果は、恒星風出力のこの低下率と一致して^おり、質量損失率の上昇だけではパラドックスを解決できないことを示唆している。^{[28] [29] [30]}

温室効果ガスの濃度が太陽の弱まりを完全に補わなかったとしたら、気温が中程度だったのは表面アルベドが低いためかもしれない。当時、露出した大陸の面積が小さかったため、風で運ばれた塵や生物起源の雲凝結核は少なかっただろう。アルベドが低いほど、太陽放射のより高い割合が地表に浸透する。ゴールドブラットとザーンレ（2011）は、雲の割合の変化が十分に温暖化をもたらしたかどうかを調査し、正味の影響はプラスとマイナスの両方である可能性が同程度であることを発見した。せいぜい、その影響で地表温度は平均して氷点よりわずかに高い程度まで上昇した可能性がある。^[31]

雲量減少のもう一つのメカニズムとして、この時期の宇宙線の減少が雲量の減少に関係しているという説がある。^[32]しかし、このメカニズムは、イオンが雲凝結核ほど雲の形成を制限しないという事実や、宇宙線が地球の平均気温にほとんど影響を与えないことが判明しているなど、いくつかの理由で機能しない。^{[33]雲は3次元}全球気候モデルにおける不確実性の主な原因であり続け、この時期に雲の空間パターンや雲の種類の変化が地球の気候にどのような影響を与えたかについてはまだコンセンサスが得られていない。^[34]

ハッブルの法則が重力で束縛された系に与える影響についてのシミュレーションと直接測定は、2022年時点では決定的な結果を返していないが、^[35]局所的なハッブル膨張率の一部による軌道膨張が、若い太陽の暗いパラドックスを含む軌道進化の観測された異常を説明できる可能性があることが指摘されている。^[36]

ガイア仮説は、生物学的プロセスがさまざまな負のフィードバック機構を通じて地球の安定した表面気候を維持し、居住可能性を維持する働きをしているとするものである。有機炭素循環などの有機プロセスは劇的な気候変化を制御する働きがあり、地球の表面は居住可能な状態を保っていると考えられるが、この仮説は解決不可能であると批判されてきた。さらに、生命はスノーボールアースエピソードを含む劇的な気候変化を通じて地球表面に存在してきた。ガイア仮説には強いバージョンと弱いバージョンがあり、この研究分野では緊張を引き起こしている。^[34]

火星には、若い太陽の暗さというパラドックスの独自のバージョンがある。火星の地形は、流出路、峡谷、変形したクレーター、谷のネットワークなど、過去に液体の水があったことを示す明確な痕跡を示している。これらの地形的特徴は、火星がノアキアン後期（ 41億年から37億年前）に現在の地球に似た海と河川網を表面に持っていたことを示唆している。^{[37] [38]}火星の軌道パターンは太陽からさらに遠く、若い太陽の暗さが、火星の非常に暖かく湿った気候を生み出したと考えられている理由が不明である。^[39]科学者たちは、どの地形的特徴が海岸線やその他の水の流れのマーカーに起因するのか、どの地形的特徴が他のメカニズムに起因するのかを議論している。^[34]それでも、南部の高地での広範囲にわたる河川浸食の観察を含む地質学的証拠は、一般的に初期の温暖で半乾燥気候と一致している。^[40]

初期の火星の軌道と太陽の状態を考えると、流水によって表面の特徴が刻まれるためには、表面温度を少なくとも65 K上昇させる温室効果が必要だっただろう。^{[39] [40]}このような温度上昇を引き起こす方法として、はるかに密度の高いCO2_を主成分とする大気が提案されている。これは炭素循環と、ノアキアン以前とノアキアン全体の火山活動の速度に依存するが、よくわかっていない。これらの期間に揮発性ガスの放出が起こったと考えられている。^[39]

_{火星に厚い二酸化炭素}を多く含む大気があったかどうかを確認する方法の1つは、炭酸塩堆積物を調べることです。地球の大気における炭素の主な吸収源は炭酸塩-ケイ酸塩サイクルです。しかし、温室効果は二酸化炭素の凝縮によって上回られるため、火星の大気中にこのように二酸化炭素が蓄積することは困難だっ_たでしょう_。 [ 41 ^]

火山から放出されたCO2 _- H2_温室効果は、初期火星について最近提案されたもっともらしいシナリオである。^[42]断続的なメタンの爆発も別の可能性であったかもしれない。このような温室効果ガスの組み合わせは、二酸化炭素だけでは、たとえ数バールを超える圧力であっても、初期火星の表面に液体の水が存在するために必要な温度を説明できないため、必要であると思われる。^{[43] [40]}

金星の大気は96%が二酸化炭素でできている。数十億年前、太陽が25～30%暗かった頃、金星の表面温度ははるかに低く、水循環を備えた現在の地球のような気候だった可能性がある。その後、暴走温室効果を経験する。^[44]

• 冷たい初期の地球
• 有効温度– 惑星の表面と雲の反射率に依存します。
• イシュアグリーンストーンベルト
• 宇宙論のパラドックスのリスト – 矛盾しているように見える記述のリスト
• 古気候学

• Bengtsson, Lennart; Hammer, Claus U. (2004)。『地圏・生物圏の相互作用と気候』。ケンブリッジ大学出版局。ISBN 978-0-521-78238-8。