Astrofizyka1 fizyka układu słonecznego

Transkrypt

1 Krzysztof Gęsicki Astrofizyka1 fizyka układu słonecznego Wykładkursowydla2r.studiówAS1 wykład 5: młode Słońce i Ziemia

2 bez wątpienia chcemy poznać przeszłość naszego Słońca obecne Słońce jest chłodną gwiazdą magnetyczną wielewskazujenatoże jego aktywność magnetyczna kiedyś była większa młode Słońce wyglądało inaczej od współczesnego większe było jego oddziaływanie na młode planety

3 gwiazdy słońcopodobne SłońcejestgwiazdątypuG2Vztemperaturąefektywną5780K wiemy,żewciąguewolucjiodzams rozgrzało się o kilkaset stopni pojaśniało o ok. 40% poszukujemy odpowiedników(analogów) młodego Słońca wśród wczesnych i pośrednich typów G Słońce przed ciągiem głównym(pms) było gwiazdą pośredniego typu K(K5 IV) poszukujemy odpowiedników PMS Słońca wśród gwiazd mas słonecznych, otypachwidmowychodwczesnegogpopóźnek wczesnem badania gwiazd słońcopodobnych pozwalają na rekonstrukcję historii Słońca

4 badania odpowiedników słonecznych pokazały, że dla gwiazd mniej masywnych niż 1.5 masy słonecznej i o wieku conajmniej kilkaset milionów lat utrata momentu pędu przez wiatr gwiazdowy wyhamowuje rotację w sposób jednoznacznie określony wiekiem gwiazdy jedna niezależna zmienna wiek gwiazdy wyznacza okres rotacji, a przez mechanizm dynama aktywność magnetyczną na wszystkich poziomach atmosfery

5 można rekonstruować rozkład plam na powierzchni młodych słońc powszechna jest aktywność na wysokich szerokościach plamy biegunowe

6 można rekonstruować rozkład aktywności na powierzchni wykorzystując obserwacje zaćmienia

7 można rekonstruować pola magnetyczne fotosfery w oparciu o obserwacje obrazów Zeemana-Dopplera i modelowanie numeryczne

8 obserwacje ilości plam na Słońcu sięgają setek lat okres aktywności to 11 lat pełny cykl magnetyczny to 22 lata podobne cykle aktywności stwierdzono u wielu odpowiedników słonecznych zobserwacjichromosferycznychliniicaiih&k z obserwacji cykli plam gwiazdowych wydedukowanych z krzywych blasku

9 można wyznaczać tempa utraty masy w funkcji aktywności gwiazdowej reprezentowanej przez strumień rentgenowski

10 emisja UV pochodzi z chromosfery i warstwy przejściowej otemperaturach K

11 porównanie obecnego Słońca z młodymi odpowiednikami prowadzi do wniosku że magnetyczna aktywność młodych słońc jest o rzędy wielkości większa od obecnej słonecznej zczasem maleje rotacja napędzająca dynamo słabnie tempo utraty masy przez wiatr

12 problem z młodym Słońcem i młodą Ziemią młode Słońce mimo większej aktywności świeciło wyraźnie słabiej niż dzisiejsze wzrost jasności Słońca z wiekiem jest prostą konsekwencją sposobu wytwarzania energii w jego wnętrzu: zupływemczasugromadząsięwsłońcujądrahelu powiększając średnią masę molekularną wnętrza powiększa się energia potencjalna zgodnie z twierdzeniem o wiriale zwiększa się też energia cieplna, wzrasta temperatura, wzrasta tempo reakcji jądrowych, wzrasta jasność całkowita jest to nieuniknione 2E therm +E grav =0

13 modele ewolucji gwiazd typu słonecznego przewidują dla młodej Ziemi że otrzymywała od Słońca około 25% mniej energii niż dzisiaj powodowałoby to całkowite zamarznięcie Ziemi przez pierwsze 2 miliardy lat ale mamy dowody na występowanie płynej wody na powierzchni weoniearchaiku3.8do2.5miliardalattemu(rys.zwikipedii) dla wyjaśnienia problemu możemy: modyfikować model Słońca analizować reakcję młodej Ziemi na promieniowanie młodego Słońca

14 modyfikowanie standardowego modelu Słońca wydaje się że model budowy Słońca i jego ewolucji jest poprawny od czasu problemu neutrin modele słoneczne były bardzo starannie sprawdzane problem neutrin rozwiązano modyfikując standardowy model fizyki cząstek aniemodelsłońca

15 jedynym możliwym sposobem na zmianę tendencji stałego wzrostu jasności słonecznej wydaje się być zmiana(utrata) masy jasność gwiazdy zależy od tempa reakcji syntezy wodoru w hel tempo to silnie rośnie z masą gwiazdy L M η gdzieη 2 4,dlaSłońcazwykleprzyjmujesię4 obecne Słońce traci masę na dwa sposoby: masa wytworzonego helu jest mniejsza od sumy mas łączonych protonów z górnych rejonów atmosfery wieje wiatr słoneczny

16 znamy wartości dla obu procesów M fuzja M rok 1 M wiatr M rok 1 wiedząc,żedzisiejszesłońcemamasę kg obliczymy, że 4.57 mld lat temu miało masę 0.05% większą co miało zaniedbywalny wpływ na jego jasność

17 wiemy jednak że wiatr słoneczny w młodości był silniejszy choćby z powodu większej aktywności słonecznej możnaoszacować,żemłodesłońcezmasąok.4%większąodobecnej byłoby wystarczająco jasne by tłumaczyć obecność ciekłej wody na Marsie przy masywniejszym, więc i jaśniejszym, Słońcu Ziemia krążyła by po ciaśniejszej orbicie co zwiększałoby jej ogrzewanie

18 są ograniczenia na masę młodego Słońca przy zbyt dużej jasności Słońca efekt cieplarniany narastałby lawinowo oceany odparowałyby i rozeszły się w przestrzeń kosmiczną w ten właśnie sposób straciła swoją wodę Wenus szacuje się że 10% wzrost jasności Słońca doprowadziłby do utraty wody przez Ziemię odpowiada to 7% wzrostowi masy Słońca

19 wzmożone tempo utraty masy przez młode Słońce jest w sprzeczności z badaniami heliosejsmologicznymi bardzo długi okres wzmożonej utraty masy prowadziłby do zmian w rozkładzie cięższych pierwiastków poniżej warstwy konwektywnej, a w konsekwencji do innych niż obserwowane częstości oscylacji granicą takiej wzmożonej utraty masy jest pierwsze 0.2 mld lat zamało potrzebujemyok.1 2mldlat alewydajesięże7%większamasasłońca jest jeszcze zgodna z danymi heliosejsmologicznymi

20 obserwacje innych młodych gwiazd podobnych do Słońca pokazują że większość traconej masy przypada na pierwsze 0.1 mld lat co ważniejsze obserwowane odpowiedniki Słońca wykazują znacznie mniejszą skumulowaną utratę masy niż potrzebna do zrównoważenia małej jasności młodego Słońca rozwiązania problemu trzeba szukać na Ziemi a nie w Słońcu

21 słabe młode Słońce musiało spowodować silną epokę lodowcową wczasiepomiędzypowstaniemziemi4.5mldlattemua3mldlattemu występuje sprzężenie zwrotne między zlodowaceniem a albedo modele klimatyczne potwierdzają ten efekt, choć też wskazują na możliwość wystąpienia wąskiego niezamarzniętego pasa w rejonach tropikalnych, spowodowanego zmniejszoną powłoką chmur w tym rejonie Ziemia kiedy już zamarzła to potrzebowała dużego stężenia gazów cieplarnianych by wrócić do stanu cieplejszego oceany mogły nie zamarznąć do dna ze względu na ciepło geotermalne z wnętrza Ziemi

22 młoda Ziemia eony nie są precyzyjnie zdefiniowane logiczne jest założenie że archaik liczymy od zakończenia intensywnego bombardowania meteorytami ok mld lat temu już wcześniej, w hadeiku, mamy podejrzenia na obecność ciekłej wody świadczą o tym ziarenka cyrkonu zakonserwowane od czasu hadeiku w młodszych skałach

23 ocean hadeiku wyglądał inaczej od naszego Ziemia wytworzyła się z grawitacyjnej akrecji planetezymali wielkie zderzenie tworzące Księżyc miało miejsce po kolejnych 50 mln lat, blisko końca tego etapu akrecji

24 Ziemia pozostawała otoczona oparami skalnymi przez ok lat silny efekt cieplarniany(dwutlenek węgla i woda odparowujące z płaszcza) oraz ogrzewanie pływowe przez krążący wówczas blisko Księżyc, utrzymywały powierzchnię w stanie płynnej magmy przez kilka milionów lat następnie skorupa stwardniała wytworzyłsięoceangorącejwodyok.500k pod gęstą atmosferą od ciśnieniem 100 bar dwutlenku węgla CO 2 zostałwciągnięty(subdukcja)dopłaszczawczasiedziesiątekmlnlat, zanim ostatnie wielkie bombardowanie uformowało początek eonu archaik

25 dowody geologiczne obecności wód powierzchniowych w archaiku to głównie skały osadowe brak dowodów na powszechne zlodowacenie w całym archaiku

26 są dowody na mikroorganizmy w archaiku, mikroskamieniałości z czasów 2.5 do 3.5 mld lat temu sama obecność życia nie jest silnym argumentem przeciw powłoce lodowej ale obecność fotosyntezujących cyjanobakterii jest dodatkowym argumentem przeciw Ziemi okrytej całkowicie i nieustannie lodem znane jest wiele innych niezależnych przejawów występowania ciekłej wody w eonie archaiku kiedy Słońce było znacznie słabsze od dzisiejszego mamy dowody na występowanie ciekłej wody w pewnych okresach historii Marsa jego ciepła powierzchnia jest jeszcze ciekawszym problemem

27 zakładając dzisiejszą zawartość gazów cieplarnianych i albedo modele wykazywały zamarzniętą wodę przez pierwsze 2 mld lat Ziemi Sagan i Mullen zakwestionowali jako naiwne założenie że w archaiku na klimat wpływały te same czynniki co obecnie jako pierwsi zasugerowali rozwiązanie sprzeczności przez wzmocniony efekt cieplarniany z obecnością innych gazów

28 modyfikowanie efektu cieplarnianego Ziemi obecnie temperatura troposfery wzrasta dzięki absorpcji długofalowego promieniowaniapowierzchniprzezgazyatmosferycznejakparawodna,co 2,metanCH 4 na młodej Ziemi na efekt cieplarniany oddziaływały: amoniaknh 3 bardzosilnyczynnikcieplarniany z silną i szeroką absorpcją na 10 mikronach maksimum emisji Ziemi jednak silne promieniowanie UV młodego Słońca rozkładałoby amoniak a woda wypłukiwałaby rozpuszczalny amoniak z atmosfery metanch 4 trudniejniżamoniakrozkładanypromieniowaniemuv dzisiaj metan jest produkowany biologicznie w archaiku źródłem metanu były meteoryty i komety, wyziewy wulkaniczne i źródła geotermalne, ewentualnie anaerobowe ekosystemy

29 szacunki zawartości metanu w różnych epokach wychodzi go jednak za mało

30 dwutlenekwęglaco 2 bierze udział w reakcjach nieorganicznych z krzemianami, węglan wapnia osadza się na dnie oceanów, z ruchami tektonicznymi trafia w głąb Ziemi, częściowo powraca do atmosfery dzięki wulkanom, ale w rezultacie jego zawartość w atmosferze maleje ponadtoanalizygeochemicznewykazująwartościco 2 za małe do rozwiązania paradoksu młodego Słońca co pokazuje rysunek

31

32 wzmożony efekt cieplarniany wydaje się mimo wszystko najlepszym rozwiązaniem problemów z młodym Słońcem ostateczne rozstrzygnięcie problemu jest utrudniane przez niepewności w opisie przepływu promieniowania oraz przez brak dobrego modelu klimatycznego młodej Ziemi do tego mogą dochodzić inne czynniki jak zmienność pokrycia chmurami

33 rotacja i nachylenie osi obrotu Ziemi nie zmieniają bezpośrednio bilansu energetycznego ale mogą zmieniać dystrybucję energii w systemie klimatycznym duże nachylenie osi powoduje cieplejszy klimat ale badania paleomagnetyczne wykazały stabilność osi w ostatnich 2.5 mld lat udowodniono też, że Księżyc stabilizuje oś Ziemi tarcie pływowe spowalnia obrót Ziemii oddala Księżyc obrótziemi4mldlattemutrwał14godzin krótszy dzień może zwiększać gradient temperatury między równikiem a biegunami zmniejszać globalne pokrycie chmurami powodując wzrost temperatury o 2 K

34 w archaiku kontynenty zajmowały ok. 10% dzisiejszej powierzchni co modyfikowało albedo i obieg ciepła

35 być może ocean archaiku był bardziej słony od dzisiejszego mogło to mieć wpływ na cyrkulację termohalinową w oceanach pływy kiedyś też były znaczniejsze bo Księżyc był bliżej te efekty oczekują badań

36 wysokoenergetyczne promieniowanie oddziałujące na planety bolometryczna jasność Słońca ma maksimum w zakresie widzialnym promieniowania, powstającym w dolnej atmosferze, która mało reaguje na aktywność słoneczną irradiancja obecnego Słońca zmienia się o ok. 0.1% w ciągu 11-letniego cyklu oprócz zmiany jasności bolometrycznej w skali miliarda lat Słońce wykazuje zmienność w skalach do tysiąca lat będącą rezultatem aktywności powiązanej z polami magnetycznymi promieniowanie UV Słońca pochodzi głównie z gorących górnych warstw atmosfery i wykazuje znacznie większą zmienność zmienność Słońca, w tym jego jasności UV, była kiedyś większa

37 o ile jasność bolometryczna Słońca wzrasta to zachodzi stały spadek aktywności magnetycznej spowodowany stopniowym spowalnianiem rotacji Słońca, która jest motorem dynama magnetohydrodynamicznego wiatr słoneczny był silniejszy w młodym Słońcu co miało konsekwencje dla młodej Ziemi dlajejmagnetosferyidlautratygazówiwody pole magnetyczne młodej Ziemi wynosiło 50 70% obecnego więc było słabszą barierą ochronną

38 młode gwiazdy w gromadach otwartych, będące odpowiednikami młodego Słońca, przewyższają obecną magnetyczną aktywność Słońca i wynikające z niej promieniowanie o rzędy wielkości w zakresie rentgenowskim słońce ZAMS świeciło 1000 razy silniej od obecnego podobnie jest z wysokoenergetycznymi cząstkami widocznymi w emisji radiowej podobnie jest z wiatrem gwiazdowym

39 wysokoenergetyczne cząstki i fotony są absorbowane w górnych warstwach atmosfer planet, jonizują i ogrzewają, prowadządozłożonychreakcjiłańcuchowych(np.produkcjao 3 ) młode Słońce było aktywniejsze magnetycznie z powodu szybszej rotacji mogłorotowaći10razyszybciejemitując100razywięcejwzakresiex znamy oddziaływanie obecnego Słońca na obecne planety, trudno jest oszacować warunki panujące na planetach miliardy lat temu aktywność magnetyczna Słońca jest kluczem do lepszego zrozumienia ewolucji całego układu

40 ewolucja powierzchni i atmosfer planet musi być rozpatrywana z uwzględnieniem słonecznego strumienia wysokoenergetycznych cząstek i fotonów diagram przedstawia ewolucję Ziemi nadmiar wody w początkowych etapach późniejszą ucieczkę wody biologicznąprodukcjęo 2

41

42 w 2011/12 konkluzjami artykułu przeglądowego było, że po kilkudziesięciu latach analiz problem z młodym Słońcem i młodą Ziemią nie jest rozwiązany geochemia eonów archaiku i proterozoiku dokonała postępu dopiero w ostatniej dekadzie oczekiwane są rozdzielone przestrzennie modele klimatyczne, które będą mogły zastąpić modele jednowymiarowe czy proste obliczenia bilansowe

43 już w 2013 były publikowane pierwsze rezultaty trójwymiarowych modeli klimatycznych Ziemi ogrzewanej młodym Słońcem rozważano wpływ: gazówcieplarnianychco 2 orazch 4 ciśnienia atmosferycznego rozmiaru kropelek cieczy w obłokach rozkładu kontynentów tempa rotacji Ziemi pierwszy model testowy dla obecnych kontynentów i obecnego składu atmosfery pokazał, że pod Słońcem ciemniejszym o 20% Ziemiazamienisiękulęlodowąwciąguzaledwie23lat

44

45

46 otrzymano,żeodpowiedniamieszankaco 2 orazch 4 jestwstaniezapewnićklimatumiarkowany(10 20 C) wepocearchaikuod3.8do2.5mldlattemu w okolicach równikowych

47 przy czym taka mieszanka nie jest w sprzeczności z danymi geologicznymi pozostałe czynniki mają znacznie mniejszy wpływ na klimat

48 Konkuzje w 2013 były następujące: dla młodego Słońca otrzymanie pasów ciekłej wody w chłodnym klimacie nie jest bardzo trudnym zadaniem imożnatozrobićnawielesposobów tym niemniej potrzeba więcej danych geologicznych z epoki wczesnego Archaiku w szczególności dotyczących ciśnienia gazów cieplarnianych by odtworzyć poprawnie atmosferę Ziemi w tamtym czasie

49 alternatywne teorie cały czas publikowane są prace proponujące wyjaśnienie paradoksu przez modyfikowanie teorii grawitacji, w szczególności: malejąca z czasem stała G(wystarczy 1%) może powodować większą jasność młodego Słońca ciemna energia powodująca ekspansję wszechświata może działać lokalnie oddalając Ziemię od Słońca promień orbity Ziemi może być powiększany przez coś w rodzaju ciśnienia wynikającego z odpowiednio zmodyfikowanej teorii grawitacji itp.

50 literatura THE FAINT YOUNG SUN PROBLEM G.Feulner, Reviews of Geophysics, 50, RG2006/ 2012 The Sun in Time: Activity and Environment M.Guedel, Living Rev. Solar Phys., 4,(2007), 3 Exploring the faint young Sun problem andthepossibleclimatesofthearcheanearthwitha3-dgcm Charnayetal,JGR118,10414(2013)

51 zagadnienia wymagane na egzaminie główna przyczyna zmian jasności bolometrycznej Słońca w skali miliardów lat porównanie magnetyczej aktywności Słońca młodego i obecnego problem słabego młodego Słońca pierwsze miliardy lat życia Ziemi