天文學의 未解決 問題 太陽의 光度가 現在의 70%밖에 되지 않았던 것으로 推定되는데, 어떻게 初期 地球에 물이 液體 狀態로 存在할 수 있었는가? (더 많은 天文學의 未解決 問題 보기)

어두운 젊은 太陽 逆說 ( faint young Sun paradox ), 어두운 젊은 太陽 問題 ( faint young Sun problem )는 初期 地球에서 물이 液體 狀態로 存在했다는 觀察 結果와, 當時 太陽 의 에너지 出力이 現在의 70% 假量 程度밖에 되지 않았을 것이라는 天體物理學 敵 說明이 서로 矛盾되는 現象을 가리킨다. ^[1] 萬若 太陽이 放出하는 에너지가 現在의 70% 假量이었다면, 初期 地球는 完全히 얼어붙은 狀態여야 하나, 初期 地球에는 물이 液體 狀態로 存在했으며 ^[2] 生命體가 생길 수 있는 狀態였을 것으로 推定하고 있다. ^[3]

이 逆說은 1972年 天文學者 칼 세이건 과 조지 물렌이 提起하였다. ^[4] 逆說을 解決하기 위해 現在까지 提案된 假說에는 溫室效果 에 對한 考慮, 行星 反射率 의 變化, 天體物理學的 影響 高麗 等이 있다. 一般的으로는 溫室 氣體 人 二酸化 炭素 가 地球의 溫度를 높이는 데 크게 寄與하였다는 것이다. ^[5]

太陽의 進化 [ 編輯 ]

標準 太陽 模型 等 항성救助 에 對한 理論에서는 ^[6] 太陽이 漸次 밝아질 것이라고 豫測하고 있다. 太陽 中心에서 核融合 이 일어날 때, 陽性子 4個와 電子 4個가 헬륨 原子核 하나와 電子 2個로, 單位質量當 粒子의 數가 減少함에 따라, 粒子로 인해 發生하는 壓力도 減少하여 相對的으로 重力의 影響力이 커지는데, 이로 인해 核이 壓縮되어 溫度가 增加해, 核融合 反應이 增加하여 밝아지는 것이다.

最近 硏究에 따르면, 現在 太陽은 46億 年 前에 비해 約 1.4倍 假量 밝으며, 밝아지는 速力 또한 漸次 빨라지고 있다. ^[7] 太陽의 表面 에서는 溫度와 지름이 增加함에 따라 광도 가 增加하며, 地球에서 보기에 이는 複寫强制力 으로 作用한다.

理論 [ 編輯 ]

溫室 氣體 [ 編輯 ]

칼 세이건과 조지 물렌은 처음 逆說을 提起할 때, 암모니아 機體(NH ₃ )가 高濃度로 存在한다면 解決할 수 있으리라고 推定했으나, ^[4] 以後 암모니아가 實際로 效果的인 溫室 氣體인 것은 맞으나, 大氣에서 光化學的 過程으로 인해 窒素 (N ₂ )와 水素 (H ₂ )로 쉽게 分解됨이 밝혀졌다. ^[8] 이에 對해 칼 세이건은 光化學的 煙霧 가 存在한다면 光化學的 分解가 沮害되어 溫室 氣體로 作用할 수 있다고 推定했는데, ^[9] 2001年 光化學的 模型을 통해 實驗한 結果에서 不可能함이 밝혀졌으며, ^[10] 이러한 煙霧가 存在할 境遇 逆으로 表面을 冷却시켜 溫室 效果를 相殺했을 可能性도 있다. 2010年 콜로라도 大學校 의 硏究陣은 煙霧가 프랙탈 模樣으로 생겼을 境遇 암모니아가 溫室 氣體로 充分히 作用했을 수 있다는 假說을 提起하였다. ^{[11] [12]}

1970年代 後半부터는 地球 大氣의 進化 過程 硏究를 통해, 太陽 輻射가 적었던 時期 二酸化 炭素 (CO ₂ )의 濃度가 높았었다고 推定하고 있다. 現在 大氣에 비해 二酸化 炭素의 含量이 1000倍 假量 많았다고 하면, 地球의 炭素 循環 및 太陽의 進化 過程과 一致한다. ^{[13] [14] [15]}

二酸化 炭素의 濃度가 높아지는 主要 期作은 炭素 循環이다. 긴 時間 規模에서는 炭酸鹽-硅酸鹽 循環 이라고 부르는 武器 炭素 循環이 CO ₂ 의 待機-表面 分布를 決定하며, 特히 表面 溫度가 낮을 때는 降雨와 風化 가 줄어, 50萬 年 만에 待機 中 二酸化 炭素 濃度가 增加할 수 있다. ^[16]

地球를 3次元 空間 代身 點 하나로 看做하는 1次元 氣候 模型 시뮬레이션을 통해, 45億 年 前 太陽이 30% 假量 어두울 境遇, 氣溫이 어는點 以上으로 維持되려면 CO ₂ 의 壓力이 約 0.1 바 以上이어야 하며, 上限線은 10바라는 結果가 算出되었다. ^{[14] [17]}

二酸化 炭素의 含量 自體는 아직 論爭거리로 남아 있다. 2001年에는 知覺 變動이 活潑한 初期 地球의 海底面에서 일어나는 風化로 인해 二酸化 炭素의 濃度가 줄어들었을 可能性이 提起되었으며, ^[18] 2010年에는 護喪철광층 을 分析한 結果에서 磁鐵石 (Fe ₃ O ₄ )이나 菱鐵石 (FeCO ₃ ) 等 철이 包含된 鑛物이 地球 歷史 앞 班에만 形成되고, 以後에는 形成되지 않은 事實이 밝혀졌다.

二酸化 炭素 以外에, 메테人 細菌 等 메테人 (CH ₄ )을 만드는 無酸素 單細胞 生物도 溫室 效果에 寄與했을 可能性이 있다. ^{[19] [20]}

조석 加熱 [ 編輯 ]

달 은 當時 地球와 더 가까이 있었으며, 地球의 自轉 速度도 더 빨랐기 때문에, 現在보다 조석 加熱 이 더 强하게 일어났다. 이에 對한 旣存의 硏究 結果에서는, 조석 加熱을 最大로 假定했을 境遇에도 제곱미터當 0.02 와트 밖에 되지 않아, 太陽熱로 인해 地球 大氣가 加熱되는 程度는 제곱미터當 1,000와트 以上인 것과 比較하면 거의 影響이 없는 것과 다름없으리라고 보았다.

하지만 2021年 警 獨逸의 한 硏究팀에서는 이러한 計算이 너무 單純하게 行해졌으며, 그럴듯한 模型 一部를 適用하면 加熱 程度는 제곱미터當 10와트 以上이 되어, 1億 年에 걸쳐 坪型 溫度를 5度 假量 올렸을 수 있다고 主張하였다. 이 效果에 따르면 逆說이 部分的으로 解消되기는 하나, 溫室 效果 等 다른 原因을 考慮하지 않고 逆說을 完全히 解決할 수는 없다. ^[21] 이러한 理論에서 根幹이 되는, 달이 로슈 限界 바로 바깥에서 形成되었다는 假定이 맞는지는 確實하지 않으나, 磁氣化 된 破片으로 이루어진 圓盤이 달에게 角運動量 을 傳達해 더 높은 軌道로 옮겨갔을 可能性은 있다. ^[22]

宇宙船 [ 編輯 ]

이스라엘 과 美國의 物理學者 니르 샤비브는, 덴마크의 物理學者 헨리크 스벤스마크의 宇宙船 의 冷却 效果 假說을 利用해, 宇宙線과 太陽風 의 效果를 考慮한 理論을 提案하였다. ^[23] 샤비브의 理論에 따르면, 初期 太陽은 只今보다 더 强하게 太陽風을 내뿜어, 宇宙船을 遮蔽해 주는 效果를 나타냈으며, 이를 考慮하면 現在와 비슷한 水準의 溫室 效果로도 大部分 얼음이 없는 狀態의 地球가 만들어진다. 初期 太陽에서 太陽風이 剛했다는 證據는 隕石 에 나타나 있다. ^[24]

太陽의 質量 損失 [ 編輯 ]

어두운 젊은 太陽은 太陽風 이 더 强해 에너지 放出量이 많아, 溫室 效果만 考慮했을 때의 表面 溫度가 낮은 點을 相殺할 수 있을 것이라는 理論은 여러 次例 提起되었다. ^[25] 外界 行星 觀測 結果로 推定할 때, 太陽은 一生 동안 全體의 5~6% 假量 質量을 잃었고, ^[26] 이를 통해 더 일정한 에너지 放出이 일어났다. (初期 太陽에는 質量이 더 많았기 때문에, 에너지 出力이 더 많았다)

時生累代 의 溫暖한 環境을 說明하기 위해서는 이 質量 損失 期間이 約 10億 年 假量 持續되었어야 하나, 隕石 및 月面 標本의 이온 腐蝕 痕跡에 따르면 太陽風 플럭스가 增加한 時期는 1億 年 程度밖에 되지 않는다. 太陽과 類似한 항성人 큰곰자리 파이¹ 을 觀測하여 求한 항성風이 減少하는 比率도 이와 一致하기 때문에, 太陽風에 對한 說明만으로는 어두운 젊은 太陽 逆說을 解決할 수 없다. ^{[27] [28] [29]}

구름의 變化 [ 編輯 ]

溫室 氣體로 인한 效果가 太陽이 어두운 것을 完全히 相殺하지 못한다면, 表面 反射率 이 더 낮았다고 說明할 수도 있다. 當時 물 바깥으로 드러난 陸地의 面積이 더 좁았기 때문에, 바람에 날린 먼지와 生物學的 要因으로 생기는 구름 凝集核 의 數가 더 적어, 생기는 구름의 數가 더 적었을 것이며, 이로 인해 表面 反射率이 減少하면 表面에 到達하는 太陽 輻射가 減少한다. 이에 對해 2011年에 進行한 한 硏究에서는 구름으로 反射率이 變할 境遇 表面 溫度의 變化는 그리 크지 않으며, 아무리 높게 보더라도 어는點 바로 위까지밖에 덥히지 못할 것이라고 推定하였다. ^[30]

이 時期 宇宙船 의 量이 減少한 것을 구름의 量이 줄었다고 解釋하는 觀點도 있는데, ^[31] 이온 自體는 凝集核처럼 구름의 形成에 큰 影響을 끼치지 못하고, 宇宙線과 平均 氣溫 사이에는 關聯이 없다는 點이 指摘받고 있다. ^[32] 現在까지 구름은 3次元 全地球的 氣候 模型 計算에서 重要한 要素로 考慮하고 있으며, 구름의 變化와 表面 溫度 變化 사이에 어떠한 關聯이 있는지에 對한 定說은 아직 定해지지 않았다. ^[33]

局部的 허블 膨脹 [ 編輯 ]

2022年 基準 ^[update] , 重力敵으로 拘束된 界에서의 허블 膨脹 에 對해, 시뮬레이션 結果와 實際 觀測 모두 어떠한 結論을 내리기에는 不足한 狀態이지만, ^[34] 局部的으로 허블 膨脹이 일어났을 境遇, 어두운 젊은 太陽 逆說을 包含해, 軌道 變化의 變則的 現象을 說明할 수 있을 것이라는 主張은 提起된 바 있다. ^[35]

가이아 理論 [ 編輯 ]

가이아 理論 은 生物體가 生存할 수 있는 環境을 維持하기 위해 生物學的 過程을 통해 地球의 表面 氣候를 스스로 安定的으로 維持한다는 假說이다. 現在 炭素 循環 等 有機的 過程은 氣候 變化를 줄이는 方向으로 움직이고 있으며, 地球 表面은 只今까지 繼續해서 生命體가 살 수 있는 環境으로 維持되어 왔다는 點에서, 現實的으로 證明하기 매우 어려운 理論이라는 批判을 받고 있으며, 또한 눈덩이 地球 等 氣候가 極端的으로 變化하는 環境에서도 地球 表面에서 生命體는 살아남았다는 事實도 返禮로 作用하고 있다. 가이아 理論이 作用하는 程度에 따라, 가이아 理論에는 '强한' 理論부터 '弱한' 理論까지 여러 種類가 있는데, 이로 인해서도 學界에서 相當한 論爭이 벌어지고 있다. ^[33]

다른 行星의 境遇 [ 編輯 ]

火星 [ 編輯 ]

火星 또한 어두운 젊은 太陽 逆說과 같은 現象을 보인다. 火星 表面에는 물길의 痕跡, 變形을 겪은 衝突區, 溪谷 構造 等 물이 液體 狀態로 存在했다는 證據가 여럿 남아 있어, 老아키아기 (41億 ~ 37億 年 前)에는 表面에 江과 바다가 있어 現在 地球와 類似한 모습이었을 것으로 推定하고 있으나, ^{[36] [37]} 火星의 軌道는 地球보다도 멀리 있으며, 地球의 境遇와 마찬가지로 當時 太陽은 더 어두웠기 때문에, 火星에 어떻게 따듯하고 濕한 氣候가 形成되었는지는 確實하지 않다. ^[38] 科學界 一角에서는 이러한 地形 中 一部가 물이 흐르지 않고도 形成될 수 있다고 보기도 하나, ^[33] 南半球 高原에서의 水流浸蝕 痕跡 等 地質學的 證據 多數는 當時 火星이 溫暖 半乾燥 氣候였다고 說明할 境遇 正確히 一致한다. ^[39]

初期 火星의 軌道와 太陽活動의 狀態를 考慮할 때, 溫室 效果로 表面 溫度가 最小限 65 K는 增加해야 表面에 물이 흘러 이러한 地形이 形成될 수 있다. ^{[38] [39]} 이 程度로 氣溫을 올리려면 大部分 CO ₂ 로 이루어진 두꺼운 大氣가 있었어야 하는데, 膳奴아키아기 및 老아키아기의 火山活動 程度를 알 수 없어 推定에 어려움을 겪고 있다. ^[38] 地球에서는 CO ₂ 가 炭酸鹽 으로 바뀌어 沈降하기 때문에, 炭酸鹽을 測定하면 待機에 CO ₂ 가 어느 程度였는지를 間接的으로 推定할 수 있을 것으로 보나, 現在 火星의 大氣 에서는 CO ₂ 沈降이 溫室 效果보다 빨라 當時 炭酸鹽이 大量으로 생길 程度로 CO ₂ 가 蓄積되기 힘들었을 것이라는 限界가 있다. ^[40]

CO ₂ 單獨으로는 火星에서의 溫室 效果가 물이 생길 程度로 强했다고 說明하기 힘들기 때문에, ^{[39] [41]} 最近 理論에서는 CO ₂ -H ₂ 氣體나 메테人 氣體가 間歇的으로 放出되어 初期 火星에서 溫室 效果를 일으켰을 可能性을 提起하고 있다. ^[42]

金星 [ 編輯 ]

金星의 大氣 는 96% 假量이 CO ₂ 로 이루어져 있다. 約 40億 年 前, 太陽이 25 ~ 30% 假量 어둡던 時期에는 金星의 表面 溫度가 現在보다 매우 낮아, 물의 循環 이 일어나는 等 氣候가 현대 地球와 비슷했을 것으로 推定하고 있으나, 火山 噴出 等으로 인해 溫室 效果가 暴注한 後 現在와 같은 모습이 되었다. ^[43]

같이 보기 [ 編輯 ]

• 明王累代
• 有效溫度
• 古氣候學

各州 [ 編輯 ]

參考 資料

• Bengtsson, Lennart; Hammer, Claus U. (2004). 《Geosphere-Biosphere Interactions and Climate》. Cambridge University Press. ISBN   978-0-521-78238-8 .