Życie w Układzie Słonecznym I

Transkrypt

1 Astrobiologia Życie w Układzie Słonecznym I Wykład 4

2 Wczesne Słońce Moc promieniowania Słońca rośnie wraz z wiekiem

3 Wczesne Słońce Ilość energii, jaką otrzymuje Ziemia w jednostce czasu P in = π R 2 S(1 A), gdzie R to promień planety, S stała słoneczna, A albedo. Z drugiej strony, zaniedbując energię z wnętrza planety, ilość emitowanej w podczerwieni energii wynosi P out = 4π R 2 εσt 4, gdzie ε to emisja z jednostki powierzchni, σ to stała Stefana-Bolzmanna, T temperatura planety. Po przyrównaniu otrzymuje się T 4 = S(1 A) / (4εσ ). Podstawiając A = 0,3, S = 1366 W m 2, ε = 0,9 otrzymuje się T = 260 K. Aby rozwikłać paradoks młodego Słońca proponuje się: silniejszy efekt cieplarniany dzięki większej zawartości np. CO 2, niższe albedo większa początkowa masa Słońca (o ok. 6%, obserwacje wskazują na 1-3%) Źródło: Encyclopedia of Astrobiology, Springer-Verlag 2011

4 Wczesne Słońce Poziom aktywności wraz z wiekiem gwiazdy maleje. Źródło: SOHO Źródło: Encyclopedia of Astrobiology, Springer-Verlag 2011

5 Strefa zamieszkiwalna Źródło: Encyclopedia of Astrobiology, Springer-Verlag 2011

6 Ewolucja strefy zamieszkiwalnej Za 1,75 mld lat na Ziemi temperatura wzrośnie na tyle, że wyparują oceany. Źródło: Heller (2015), Scientific American, 312, 32

7 Młoda Ziemia Większość wody pochodzi z odparowania hydratów wchodzących w skład planetozymali. Rozbieżność w składzie izotopowym wodoru w kometach, w których deuteru jest dwukrotnie więcej niż na Ziemi, wskazuje, że nie były one głównym źródłem wody. Niska w porównaniu ze słoneczną obfitość gazów szlachetnych w atmosferach planet skalistych wyklucza pochodzenie związków lotnych, w tym wody, z pierwotnej materii obłoku protoplanetarnego. Źródło: An Introduction to Astrobiology, Cambridge University Press, 2011

8 Atmosfera Ziemi O 2 20,95% objętości, całkowicie pochodzenia biologicznego, gdyby nie fotosynteza, tlen zostałby związany przez żelazo występujące w skałach w ciągu kilku tysięcy lat. N 2 78,078% Ar 0,934%, głównie produkt rozpadu radioaktywnego izotopu 40 K pochodzącego ze skorupy i płaszcza. CO ppm (poziom przedindustrialny), niska obfitość spowodowana jest uwięzieniem węgla w skałach w postaci węglanów i materii organicznej zagrzebanej w skorupie. Gdyby uwolnić związane CO 2, to ciśnienie przy powierzchni wzrosłoby do poziomu barów, temperatura wzrosłaby do ok. 200 C wskutek efektu cieplarnianego, a stosunek CO 2 do N 2 byłby taki, jaki obserwuje się na Wenus i Marsie. Źródło: NASA Pierwotna atmosfera planety składała się z pary wodnej (86%), CO 2 (12%), HCl + HF (fluorowce w postaci gazowej, 1,4%) i N 2 (0,2%). Skład ten jest bliski temu, co emitowane jest przez wulkany. Wskazuje to, że pierwotna atmosfera ziemska ma pochodzenie wulkaniczne. Badania izotopowe wskazują, że musiała istnieć już 100 mln lat ppus. W pierwszych kilkuset mln lat doświadczała silnego efektu ucieczki gazów wskutek wysokiego poziomu UV emitowanego przez młode Słońca (głównie dysocjacja H 2 O).

9 Biogeochemiczny cykl obiegu węgla Emisja dwutlenku węgla krzemiany + CaCO 3 ê inne krzemiany + CO 2 Powstały dwutlenek węgla jest emitowany do atmosfery przez wulkany. Dwutlenek węgla rozpuszcza się w wodzie tworząc kwas węglowy, który wchodzi w reakcje z krzemianem wapnia CaSiO 3 + 2H 2 CO 3 + H 2 O ê Ca HCO 3 + H 2 O i dalej powstaje węglan wapnia Ca HCO 3 ê CaCO 3 + CO 2 +H 2 O Źródło: Encyclopedia of Astrobiology, Springer-Verlag 2011

10 Atmosfera Ziemi Źródło: Science, 309, 600 (2005)

11 Atmosfera Ziemi Źródło: Encyclopedia of Astrobiology, Springer-Verlag 2011

12 Atmosfera Ziemi Zasięg penetracji promieniowania krótkofalowego, zdefiniowany jako spadek strumienia o 1/e (o ok. 63%). Źródło: Encyclopedia of Astrobiology, Springer-Verlag 2011

13 Atmosfera Ziemi Źródło: Encyclopedia of Astrobiology, Springer-Verlag 2011

14 Atmosfera Ziemi Źródło: Encyclopedia of Astrobiology, Springer-Verlag 2011

15 Atmosfera Ziemi

16 Wpływ pogody kosmicznej Po lewej: aktywność plamotwórcza nie jest najlepszym wskaźnikiem aktywności Słońca. Rozważa się TSI (total solar irradiance stała słoneczna), które przejawia pewien stopień korelacji z liczbą plam. Po prawej: TSI jest skorelowane ze średnią temperaturą powietrza w środkowej Anglii na przestrzeni ostatnich 200 lat Źródło: Staffeta 2014

17 Wpływ pogody kosmicznej Średnia temperatura a aktywność słoneczna na przestrzeni ostatnich kilkuset lat dla Syberii. Źródło: Staffeta 2014

18 Wpływ pogody kosmicznej Średnia temperatura a aktywność słoneczna na przestrzeni ostatnich kilku tysięcy lat dla obszaru środkowej Azji widoczna jest korelacja. Źródło: Staffeta 2014

19 Wpływ pogody kosmicznej Zależność średniej temperatury od długości trwania cyklu aktywności słonecznej. Źródło: Staffeta 2014

20 Wpływ pogody kosmicznej Natężenie promieniowania kosmicznego pochodzenia galaktycznego (modulowane przez poziom aktywności słonecznej) a średnia globalna temperatura troposfery. Odjęto wpływ El Nino, oscylacji północnoatlantyckiej, aerozoli pochodzenia wulkanicznego i trendu liniowego. Źródło: Staffeta 2014

21 Wpływ pogody kosmicznej Zmiany temperatury dla obszaru Alp, poziomu natężenia promieniowania kosmicznego (GCR) oraz obfitości CO 2. Źródło: Staffeta 2014

22 Wpływ pogody kosmicznej Zmiany średniej temperatury na Ziemi rozbite na składową naturalną związaną z pogodą kosmiczną i Słońcem (linia zielona) oraz składową związana z aktywnością wulkaniczną i działalnością człowieka (linia szara). Źródło: Staffeta 2014

23 Wpływ pogody kosmicznej Przewidywania na przyszłość Źródło: Nicola Staffeta

24 Cykle Milankovicia Periodyczne zmiany mimośrodu, nachylenia osi rotacji i precesji korelują się ze zmianami średniej temperatury na Ziemi. Źródło: Wikipedia Źródło: Horner i in. 2014

25 Chaos w ruchu orbitalnym planet Niepewności mimośrodu w funkcji czasu przy wariacji położenia peryhelium orbity Jowisza w zakresie do 10 5 rad Źródło: Laskar 1999

26 Oceany w prekambrze Badania kryształów cyrkonu (ZrSiO 4 ) wskazują, że oceany pojawiły się ok. 150 mln lat ppus. Najstarsze skały osadowe datuje się na 3,8 mld lat. Na wykresie po prawej: niebieska linia na podstawie badań składu izotopowego tlenu 18 O i 16 O w warstwowych skałach krzemionkowych szary obszar na podstawie badań składu izotopowego krzemu w skałach punkty - wskaźniki biologiczne Źródło: Encyclopedia of Astrobiology, Springer-Verlag 2011