Paradoja del débil sol joven

Desarrollo de la luminosidad (rojo), radio (azul) y temperatura efectiva (verde) del sol durante su existencia como estrella de secuencia principal en unidades de los valores actuales. Hace de tres a cuatro mil millones de años, la luminosidad era de un 20 a un 25% menos de lo que es ahora.
Reconstrucción de la temperatura media de la tierra y el historial de precipitaciones desde el Arcaico hasta el presente

La paradoja del sol joven débil se entiende como la contradicción aún no completamente aclarada entre la baja emisión de radiación del sol joven en la historia temprana de la tierra y el clima no correspondientemente más frío en ese momento. Los astrónomos Carl Sagan y George Mullen señalaron por primera vez esta discrepancia en 1972.

Sagan sugirió una concentración comparativamente alta de gases de efecto invernadero como una posible explicación general, pero esto no se ha confirmado para el período en cuestión. Por el contrario, los cambios significativos en la composición de la atmósfera que tuvieron lugar en la Era Arcaica y el curso climático relativamente uniforme en comparación con la historia geológica reciente después de la glaciación global hace 2.400 millones de años ( cf. miles de millones aburridos) tienden a plantear preguntas adicionales. Las polémicas discusiones en geología , astrofísica , planetología , climatología y ciencias atmosféricas , que se venían desarrollando durante décadas, convirtieron la paradoja en "una de las grandes cuestiones abiertas de la paleoclimatología ". Algunos autores pretenden una interpretación final, pero de ninguna manera es indiscutible.

Alcance del problema

A partir del modelo solar estándar, se puede derivar una potencia de radiación entre un 25% y un 30% menor para la época de hace 4.400 millones de años. Al mismo tiempo, la existencia de agua líquida en la superficie de la tierra fue probada en la historia geológica más temprana sobre la base de análisis geoquímicos. Sin embargo, sin condiciones climáticas relativamente suaves, el agua solo podría haber existido como hielo. Los primeros rastros de vida, que también requieren agua líquida, ya se han identificado en esta etapa temprana. La paradoja comienza en un momento en que se acaba de formar una atmósfera inicial y continúa durante miles de millones de años, durante los cuales se formaron continentes y océanos. Esto también se aplica al observar la atmósfera marciana temprana.

visión de conjunto

Erupción volcánica Pinatubo

Para explicar la paradoja, se tienen en cuenta factores que jugaron un papel en toda la historia del clima terrestre . Inicialmente, se asumió que las altas concentraciones de gases de efecto invernadero en la atmósfera temprana resolverían el problema . El conocimiento de la composición atmosférica de la época y las condiciones climáticas asociadas ha aumentado considerablemente desde la década de 1970. Una concentración originalmente muy alta de los gases de efecto invernadero que son relevantes hoy en día es cuestionable debido a restricciones geoquímicas.

En 2009, se identificaron gases de efecto invernadero sulfídicos que podrían haber sido un factor climático eficaz en la atmósfera reductora temprana hasta el Gran Desastre del Oxígeno hace 2.400 millones de años. Una explicación de 2003 de la paradoja y los períodos cálidos y fríos globales debido a la influencia de los rayos cósmicos en el clima provocó un debate controvertido e intensificó la investigación en este sector. Una influencia determinante del clima de la radiación cósmica en el presente no pudo confirmarse en estudios de seguimiento.

Actualmente se está intentando simular el clima arcaico de la tierra con modelos climáticos comparativamente simples. En condiciones de bajo albedo , alto contenido de nitrógeno y escasa aparición de núcleos de condensación para la formación de nubes, la presencia de agua líquida en las regiones tropicales habría sido posible incluso entonces. Lo mismo se aplica al análisis de la atmósfera marciana primitiva . Otras tesis auxiliares abordan, entre otras cosas, posibles desviaciones en los parámetros de la órbita terrestre, un cambio en las constantes físicas y la intensidad de la radiación solar más allá del modelo estándar; algunos estudios también discuten el origen de la vida en la tierra y en otros cuerpos celestes bajo condiciones comparativamente frías.

Antecedentes históricos de la tierra y el clima

Después de la formación de la luna hace unos 4.500 millones de años, cuando el manto de la tierra se derritió profundamente, la energía geotérmica tardó unos 2 millones de años en volverse insignificante para la temperatura de la superficie. Los factores retardadores fueron una atmósfera aislante de vapor de agua (H 2 O) y la disipación de energía rotacional a través de la fricción de las mareas . Cuando el agua se condensó, comenzó un efecto invernadero galopante ( efecto invernadero desbocado ) durante al menos 10 millones de años, basado inicialmente en alrededor de 100 bares de dióxido de carbono (CO 2 ), antes de que el gas se sometiera en gran medida a carbonato (véase también el ciclo del carbono ).

Según estimaciones actuales, sujeto a nuevas muestras de rocas lunares , no hubo un gran bombardeo de la tierra por asteroides y cometas hace 4.1 a 3.8 mil millones de años, sino una disminución gradual en los impactos, que solo derritieron el manto de la tierra localmente y entre los cuales relativamente existían áreas frescas, con agua en forma líquida y sólida. En aquel entonces, como ahora, la desgasificación volcánica consistía principalmente en vapor de agua, dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno (H 2 S), así como en proporciones más pequeñas de nitrógeno (N 2 ), hidrógeno (H 2 ), monóxido de carbono (CO), helio, metano y amoniaco.

Una fase glacial presumiblemente breve en forma de glaciación Pongola ocurrió hace unos 2.900 millones de años, a la que siguió 500 millones de años más tarde la glaciación Paleoproterozoica , probablemente causada por la Gran Catástrofe del Oxígeno y con una duración de unos 300 millones de años, el hielo más largo. edad de la historia geológica. A esto le siguió un período cálido más largo, llamado en broma los aburridos mil millones . Solo después de eso, durante aproximadamente mil millones de años, se alternaron períodos cálidos más largos con períodos fríos más cortos hasta la historia geológica más reciente.

La paradoja se utiliza ocasionalmente en el entorno de los creacionistas de la tierra joven y los partidarios del llamado diseño inteligente como un argumento en contra de la datación científica consistente, que fija la edad de la tierra en alrededor de 4.600 millones de años.

Influencia de la atmósfera

Ejemplo de un modelo de cálculo de 2009 para el balance medio anual de radiación de la Tierra para el período de marzo de 2000 a mayo de 2004. Los cálculos se realizaron en parte sobre la base de datos de satélite ( CERES ) y en parte sobre la base de supuestos ( hipótesis ) . El ancho de las flechas anchas indica las proporciones del flujo de energía. Un cálculo posterior del modelo de 2013 mostró un excedente de energía de 0,6 W / m², con un rango de incertidumbre de 0,2 a 1,0 W / m².

El efecto invernadero se basa en la diferente permeabilidad de la parte de onda corta (principalmente entrante) de la radiación solar en comparación con la radiación térmica de onda larga (principalmente reflejada) . En la atmósfera terrestre , los gases de efecto invernadero como el vapor de agua , el dióxido de carbono , el metano y el ozono han tenido una influencia central en el clima desde el principio . El efecto invernadero natural eleva la temperatura media de la superficie terrestre que se encuentra actualmente en unos 33 ° C a +15  ° C en adelante. Sin este efecto, la capa de aire cercana al suelo solo tendría una temperatura hostil de -18 ° C en un promedio global. Con la composición actual de la atmósfera, la temperatura de la superficie al comienzo de la historia de la tierra habría sido alrededor de 20 ° C más fría a nivel mundial, asumiendo de lo contrario las mismas condiciones (distribución de la tierra, albedo).

Un clima que es en gran parte estable durante varios miles de millones de años requiere mecanismos de control efectivos. El agua en sus diversos estados de agregación por sí sola no contrarresta el enfriamiento debido a una menor emisión de radiación del sol. Por lo tanto, los cambios climáticos observados deben estar influenciados por otros factores, como B. se puede explicar la formación de nubes . Por ejemplo, las nubes bajas enfrían la superficie de la tierra a través de su reflejo del sol, mientras que las nubes altas la calientan. La formación de nubes es, entre otras cosas. influenciado por núcleos de condensación, partículas en suspensión y gases traza. El vulcanismo juega un papel importante aquí debido a los gases, partículas de polvo y aerosoles emitidos a la atmósfera .

La propagación de la vegetación , que varía durante períodos de tiempo más prolongados , en relación con la erosión , la meteorización y la estructura del suelo, influye en las propiedades reflectantes de la superficie terrestre, así como en la evaporación y, por tanto, en la formación de nubes y el clima. Otro factor significativo son los parámetros de la órbita terrestre ( excentricidad , precesión e inclinación del eje terrestre ). La distribución y fluctuación de la radiación solar causada por los llamados ciclos de Milanković es relativamente menor, pero actúa como un "estímulo" en el sistema climático y se considera la principal causa de la alternancia entre las fases cálida y fría dentro de la corriente. Edad de Hielo . Según hallazgos más recientes, algunos de los ciclos se remontan a varios cientos de millones de años como una variable de influencia estable y se clasifican cronológicamente.

Influencia climática de la tectónica de placas

La tectónica de placas como impulsor de todos los procesos a gran escala en la capa exterior de la tierra ( litosfera ) es uno de los factores ambientales más importantes con una pluralidad de procesos asociados. Estos incluyen la formación de montañas plegables ( orogénesis ), las diversas formas de vulcanismo , la formación de dorsales oceánicas , el "buceo" de la corteza oceánica bajo las placas litosféricas continentales ( subducción ) y la deriva continental , cada uno con consecuencias directas para el clima. de la tierra. En contraste con estos desarrollos, que tomaron millones de años, los efectos biológicos y climáticos de las llamadas Grandes Provincias Magmáticas ( Grandes Provincias Ígneas ) a menudo se produjeron dentro de una ventana de tiempo relativamente estrecha de acuerdo con los estándares geológicos. Fue la salida de grandes volúmenes de rocas ígneas del manto de la Tierra , predominantemente en forma de basaltos de inundación , que se produjo sobre todo en las "costuras" de chocar o de deriva placas tectónicas y, en ocasiones, repartidas en millones de km 2 en el transcurso de varios cien mil años . Dependiendo de la extensión y duración de la liberación de basalto por inundación, se liberaron a la atmósfera cantidades considerables de gases de efecto invernadero y contaminantes. En contraste con el vulcanismo "normal", las actividades de una gran provincia magmática no provocaron un enfriamiento relacionado con los aerosoles, sino que provocaron un aumento de la temperatura global, en casos extremos junto con una espiral de calentamiento adicional con la ayuda de metano o hidrato de metano de depósitos oceánicos. Es muy probable que la mayoría de las extinciones masivas en la historia de la tierra estén directamente relacionadas con la efusión a gran escala de basaltos de inundación y la posterior desestabilización de biotopos terrestres y marinos.

curso

Una posible reconstrucción hipotética del supercontinente Rodinia

El primer continente Ur , presumiblemente comparable en tamaño a la Australia actual, podría haber existido hace unos 3.000 millones de años, pero es en gran parte hipotético. El primer supercontinente Kenorland está mejor documentado , cuya formación corresponde al comienzo de la Edad de Hielo Paleoproterozoica (también Edad de Hielo Huroniana ) hace unos 2.400 millones de años. El supercontinente Columbia surgió hace 1.800 millones de años y , según la investigación actual, unió total o parcialmente las masas de tierra del gran continente de Nuna, que originalmente se consideró independiente . En el curso de la ciclo de Wilson , que fue clasificado como probable, los supercontinentes Rodinia (1100 a 750 mya = hace millones de años ) y Pannotia (600 a 550 millones de años) formada, por lo que varios estudios llegan a la conclusión de que Columbia era sólo parcialmente en su la fase tardía se fragmentó y, con la correspondiente tectónica de placas moderada, completó una transición "fluida" hacia el siguiente Rodinia hacia el final del mesoproterozoico . Esta suposición corresponde al desarrollo climático y geológico relativamente tranquilo durante los aburridos mil millones. Sin embargo, esta larga "fase de estancamiento" también tuvo un impacto en la evolución biológica. Hay indicios de que las concentraciones marinas de oxígeno y sulfato se estancaron permanentemente a un nivel bajo y que las condiciones anóxicas, incluida la aparición de sulfuro de hidrógeno, crearon un entorno bastante hostil para las formas de vida aeróbicas en los océanos Proterozoicos centrales .

El aumento gradual de los niveles de oxígeno durante el Neoproterozoico cambió la composición química de los océanos y, al mismo tiempo, comenzó un período de extensos procesos de placas tectónicas y edades frías pronunciadas, presumiblemente vinculadas a varios eventos de bola de nieve y tierra . Durante la era geológica , el Fanerozoico , que continúa hasta el día de hoy , se produjeron más períodos fríos y cálidos de duración variable a intervalos irregulares. Un enfriamiento significativo ocurrió desde la segunda mitad del Ordovícico hace 460 a 430 millones de años, seguido por la Edad de Hielo del Permocarbono , que comprendió grandes partes del Carbonífero y se extendió hasta el Pérmico Medio . Las fluctuaciones climáticas a menudo muy rápidas en el Jura y el Cretácico Inferior coinciden con la progresiva desintegración del supercontinente Pangea , que se formó a finales del Carbonífero (310 millones de años) . Un factor paleogeográfico importante fue la ubicación de los continentes y áreas más grandes del continente en las cercanías de las regiones polares , ya que las áreas terrestres cercanas al hielo polar con mayor rapidez y fuerza que las zonas de mar abierto debido a la retroalimentación del albedo del hielo .

Interpretaciones de la paradoja sobre los efectos invernadero

visión de conjunto

Sagan y Mullen propusieron inicialmente un papel climáticamente activo para el amoníaco (NH 3 ) en la atmósfera temprana como una solución a la paradoja. Sin embargo, el amoníaco solo permanece en la atmósfera terrestre por un corto tiempo y se descompone mediante procesos fotoquímicos, entre otras cosas. Por lo tanto, Sagan y Chyba postularon una capa protectora orgánica, similar a la atmósfera de Titán , la luna de Saturno , que podría haber aumentado la estabilidad del amoníaco. También se supone una atmósfera con un alto contenido de amoníaco para algunos planetas fuera de nuestro sistema solar .

Como explicación de la paradoja, la hipótesis del amoníaco pronto fue reemplazada a favor de una proporción de CO 2 considerablemente más alta (factor diez mil) en los primeros tiempos. Esta teoría prevaleció hasta principios de la década de 1990. Debido a las contradicciones con los hallazgos geoquímicos, se inició la búsqueda de causas alternativas. Otros autores sugirieron una mayor ocurrencia de otros gases de efecto invernadero, que aún están presentes en las emisiones volcánicas, entre otras cosas. Entre ellos se incluyen el gas de la risa (N 2 O) y, en particular , el metano , el etano y otros hidrocarburos, así como varios compuestos de azufre. La cuestión de la estabilidad fotoquímica también afecta a los hidrocarburos y sulfuros que afectan al clima. El tiempo de retención de la mayoría de los gases de efecto invernadero fue promovido por la atmósfera casi libre de oxígeno de la Tierra primitiva. En general, los cambios a veces dramáticos en la composición de la atmósfera temprana, principalmente debido al oxígeno formado bióticamente, en vista del clima relativamente cálido durante varios miles de millones de años y las pronunciadas fluctuaciones de temperatura después de los aburridos miles de millones de hace 2.1 a 1.0 mil millones de años, dejan más preguntas de mente abierta.

“Esta época no es de ninguna manera aburrida para un climatólogo, requiere una explicación, especialmente porque el sol era mucho menos brillante de lo que es hoy. […] La pregunta de por qué el Proterozoico medio era cálido y por qué se enfrió tan dramáticamente alrededor de 750 millones de años antes de nuestro tiempo es fascinante, pero va más allá del tema de investigación discutido aquí ".

- Kasting y Ono 2006

Interpretación de efecto invernadero extremo de dióxido de carbono.

Cubierta de nubes de Venus
Atmósfera delgada de Marte

Si todo el CO 2 almacenado actualmente en la litosfera escapase a la atmósfera, esto daría como resultado una concentración de dióxido de carbono de varios bares de presión parcial que es más de diez mil veces mayor que los valores actuales . Un debilitamiento gradual de estas condiciones extremas de efecto invernadero en paralelo con el aumento de la producción de radiación solar debería resolver la paradoja. En 1979, el astrofísico Michael H. Hart sospechaba que la tierra había tomado este camino exacto. Según los cálculos de Hart, esta disminución gradual entre la formación de la atmósfera primordial hace 4.580 millones de años y el nivel actual de radiación es extremadamente improbable y también inestable. Con solo un pequeño porcentaje de desviaciones hacia arriba o hacia abajo, se produciría un efecto invernadero galopante similar al de Venus , o el planeta se habría convertido en una tierra de bolas de nieve o en un mundo desértico hostil y marciano con una atmósfera delgada.

Hart acuñó el término Zona Continuamente Habitable (CHZ). Por lo tanto, el surgimiento y la continuación de la vida solo fue posible porque la tierra siempre estuvo en una “zona de vida” óptima, pero espacialmente muy limitada a lo largo de toda su historia. Hart usó esta circunstancia improbable para la tesis muy notada (cf. paradoja de Fermi ) de que la vida extraterrestre ocurriría extremadamente raramente en la galaxia y posiblemente también en el universo.

James F. Kasting y otros señalaron que la tesis de una disminución inicial extremadamente alta y solo gradual en la concentración de CO 2 se opone a la Edad de Hielo Paleoproterozoica , que comenzó hace 2.400 millones de años . Después de eso, el clima relativamente cálido se mantuvo estable durante más de mil millones de años, según la evidencia geológica y el proxy climático , antes de que las fases de congelación y los períodos cálidos comenzaran a alternarse.

Un estudio publicado en la revista Nature en 2011 concluyó nuevamente que el clima moderado del período Arcaico no estaba en línea con el contenido de CO 2 asumido en la atmósfera en ese momento. Los autores ven una posible solución en un efecto invernadero provocado por otras sustancias.

Interpretaciones de mezclas de diferentes gases de efecto invernadero.

Jacob D. Haqq-Misra y otros (incluido Kasting) favorecieron una mezcla de metano (CH 4 ), vapor de agua y dióxido de carbono en lugar de un invernadero de dióxido de carbono puro en 2007 . En 2000, Kasting y Pavlov enfatizaron el papel del CH 4 y en 2001 cuestionaron el blindaje del amoníaco por los gases traza orgánicos en la atmósfera primordial.

Pavlov y Kasting mencionaron una atmósfera rica en metano después de 2.400 millones de años en la discusión sobre la paradoja en 2000 y 2003. Esto presupone un océano sulfídico, que fue negado por Holanda en 2006 con referencia al problema geoquímico. Kasting mencionó esta contradicción y resumió: “ Dejamos este tema para que se resuelva en otro lugar ” ( Kasting y Ono 2006 , alemán: “ Dejamos este tema para que se aclare en otro lugar”).

Interpretación de la paradoja sobre el sulfuro de carbonilo

Yuichiro Ueno , Matthew S. Johnson y col. publicado en agosto de 2009 Estudios sobre la proporción de isótopos de azufre en las rocas de Pilbara - Craton , que se remonta a los primeros días de la Tierra. El grupo utilizó análisis espectral para examinar una serie de gases de efecto invernadero que se producen en la desgasificación volcánica actual por su comportamiento en el rango ultravioleta . De acuerdo con esto, el sulfuro de carbonilo (COS) en particular podría haberse acumulado en una atmósfera temprana, reduciendo la atmósfera terrestre y, por lo tanto, compensado la paradoja. Según los autores, las tasas de distribución de diferentes isótopos de azufre en las rocas podrían usarse como una muy buena evidencia de la diferente composición de la atmósfera primitiva.

Anteriormente se creía que la descomposición fotolítica del dióxido de azufre era un factor limitante. A diferencia de otros, el COS, como gas de efecto invernadero eficaz y estable, también puede prevenir la descomposición del dióxido de azufre, que también afecta el clima. Las investigaciones sobre los sedimentos sulfurosos se relacionaron con diferentes escenarios de blindaje de la luz ultravioleta. Según los autores, la notable acumulación del isótopo de azufre 33 S que se encuentra en las rocas solo puede explicarse por la presencia de COS en la atmósfera en ese momento y su efecto protector específico.

Según los autores, la paradoja se puede interpretar de manera concluyente con el sulfuro de carbonilo hasta el enfriamiento severo en el Arcaico tardío hace 2.400 millones de años. Vincularon esta "Edad de Hielo Arcaica" con el oxígeno libre producido principalmente por las cianobacterias , que comenzaron a acumularse tanto en la atmósfera como en el océano después de que previamente se había convertido en hierro trivalente durante la oxidación de compuestos orgánicos e iones de hierro divalentes Fe 2. +. Los iones Fe 3+ se habían consumido en gran medida. De acuerdo con la hipótesis COS, a este ambiente temporal se le asigna el cambio de atmósfera reductora a oxidante. Entonces ya no se da la atmósfera reductora necesaria para COS.

Ya en 2006, Kasting discutió los hallazgos geoquímicos diferenciados sobre el papel de los compuestos de azufre en la atmósfera arcaica. Se refirió en particular a los depósitos de barita que solo se depositaban temporalmente . Dado que la barita es un sulfato extremadamente poco soluble , la deposición de SO 2 solo se habría evitado durante un período limitado de entre 3.200 y 2.400 millones de años.

Mecanismos de control propuestos

El ciclo de carbonato-silicato se considera el mecanismo de control central negativo (en el sentido de ingeniería de control) y contrarrestante de los gases de efecto invernadero climáticamente activos. Vincula la meteorización de los silicatos y la concentración de dióxido de carbono en los océanos y la atmósfera con la deposición y reprocesamiento de rocas carbonatadas en los continentes y océanos. Según Walker, la concentración inicialmente alta de gases de efecto invernadero con la formación de continentes se rompió después de aproximadamente mil millones de años por la deposición de grandes cantidades de carbonatos, especialmente en la historia temprana de la Tierra. Posteriormente, se supone una interacción entre el calentamiento a través del efecto invernadero del dióxido de carbono en la atmósfera, el aumento de la meteorización por silicatos, luego un mayor enfriamiento a través de la formación de carbonatos y el calentamiento después de la nueva desgasificación de dióxido de carbono a través de procesos volcánicos.

Formación de nubes modificada

En 2010, Roberto Rondanelli y Richard S. Lindzen llegaron a la conclusión de que incluso un efecto moderado de los cirros en las regiones tropicales de la Tierra primitiva podría provocar un calentamiento global suficiente. Su explicación se basa en la hipótesis del iris , que se ocupa de la disminución de los cirros tropicales altos con el aumento del calentamiento global. Sin embargo, existen problemas importantes con esta hipótesis. Por ejemplo, el efecto iris no se puede detectar en series de datos de satélite en este momento. Además, la explicación de Rondanelli y Lindzen para el período Arcaico implica una cubierta densa y poco realista de toda la tierra con nubes muy frías. Sin embargo, como explicación parcial de la paradoja, su hipótesis todavía se considera digna de mención.

Según un estudio publicado en 2010, la paradoja de la tierra joven se puede explicar sin un aumento considerable de las concentraciones de gases de efecto invernadero. En las primeras etapas de la tierra, los océanos eran alrededor de un 20% más grandes de lo que son hoy. Sin embargo, dado que no había plantas ni animales en la tierra en ese momento, faltaban los núcleos de condensación que son importantes para la formación de nubes. En consecuencia, la capa de nubes de la tierra fue considerablemente más baja de lo que se suponía originalmente. Tanto la ausencia de núcleos de condensación como la menor extensión de las masas terrestres continentales habrían contribuido a que las temperaturas por encima del punto de congelación se produjeran a través de un albedo más bajo . Esta justificación asume que los núcleos de condensación deberían haber consistido principalmente en sulfuro de dimetilo (DMS) biogénico y que el DMS solo fue producido por eucariotas . Ambos supuestos son controvertidos.

Interpretaciones astrofísicas

Posible influencia climática de los rayos cósmicos galácticos

Brazos espirales de la Vía Láctea
Radiación cósmica (rojo) y temperatura global (negro) asumidas a partir de hallazgos geoquímicos hasta 500 millones de años antes de nuestra era, según Shaviv (2003), no confirmado en trabajos posteriores.

El geoquímico Jan Veizer y el astrofísico israelí Nir Shaviv interpretan la paradoja mediante la inclusión del viento solar y los rayos cósmicos galácticos en el clima de la Tierra primitiva. Según Henrik Svensmark , la reducción de la radiación cósmica a través de menos núcleos de condensación podría conducir a una formación de nubes más débil y, por lo tanto, a un calentamiento. Shaviv postuló que el viento solar más fuerte había protegido inicialmente a la tierra con más fuerza de los rayos cósmicos y había hecho posible la fase temprana larga y cálida. Por lo tanto, la fase de formación de hielo que comenzó hace 2,4 millones de años debería coincidir con el aumento de las tasas de formación de estrellas en la galaxia y el correspondiente aumento de radiación al mismo tiempo. Para el tiempo posterior a eso, la intensidad de la radiación aumentó gradualmente hasta el nivel actual de acuerdo con este modelo.

Usando el análisis de material de meteoritos, Shaviv encontró cuatro picos en el flujo de rayos cósmicos (CRF) durante los últimos 500 millones de años. Estos picos se habrían producido a una distancia de 143 ± 10 millones de años y se correlacionaron con los pasos del sol en los brazos espirales . Shaviv trabajó en este tema junto con Jan Veizer y pudo comparar sus registros geoquímicos, que había recopilado durante décadas, con sus datos de meterorita. En su interpretación común de la paradoja, los tiempos de aumento de las tasas de formación de estrellas y el correspondiente aumento de la radiación cósmica se correlacionan con los tiempos de frío global, lo que explicaría el curso climático tanto en el Precámbrico como en todo el Fanerozoico (ver figura a la derecha). Sin embargo, los picos del análisis de Shaviv no pudieron ser confirmados por trabajos posteriores.

Algunos trabajos sobre la conexión postulada por Svensmark, por ejemplo en el experimento danés SKY, investigaron específicamente la interacción de aerosoles que contienen azufre con rayos cósmicos en capas superiores de la atmósfera. Algo similar ocurre con el experimento NUBE en el CERN . Sin embargo, no se puede demostrar el impacto actual de este efecto sobre el clima: la cobertura de nubes medida con satélites no se correlaciona con los eventos de Forbush . De acuerdo con el estado actual de la ciencia , las influencias cósmicas que ocurren periódicamente en el desarrollo biológico y climático están poco documentadas con la excepción de los ciclos de Milanković y aparentemente solo juegan un papel subordinado en términos de su importancia .

Parámetros orbitales y rotación de la tierra

La inclinación del eje de la tierra a la eclíptica de 22,1 a 24,5 °, que cambia a lo largo de milenios , tiene una influencia significativa en el clima. Algunos estudios discuten una mayor inclinación del eje de la Tierra durante el Arcaico como una posible explicación de las temperaturas más altas en los primeros días de la Tierra.

Otro posible factor de influencia es una rotación de la tierra anteriormente más rápida, ya que una duración de día de 14 horas daría lugar a un aumento de temperatura de 1,5 ° C. Para la paradoja en sí, así como para el transcurso de los primeros tres mil millones de años y para explicar los subsiguientes períodos fríos y cálidos, este enfoque no es suficiente.

Constante gravitacional

La luminosidad de una estrella está relacionada con la constante gravitacional debido al límite de Eddington . La luminosidad L es extremadamente por la constante de gravitación dependiente de G, y la masa de la estrella M: . Pequeñas fluctuaciones en la constante al principio explicarían el fenómeno. Las interpretaciones correspondientes también dan indicaciones de la llamada energía oscura y siguen siendo muy especulativas.

Asunción de un sol joven y fuerte

En relación con la paradoja, en contraste con el modelo estándar astrofísico, se discutió una mayor potencia de radiación del sol en el período temprano. Un sol moderadamente (10%) más pesado es suficiente en comparación con el modelo estándar para compensar la paradoja. Según Thomas Graedel, el notable agotamiento de oligoelementos como el berilio en el sol y otras estrellas habla a favor de esta hipótesis , en contra de la suposición de un clima relativamente uniforme durante varios miles de millones de años. Una masa más alta de la estrella central habría tenido un poder radiante considerablemente mayor en solo unos pocos cientos de millones de años debido a las suposiciones estándar sobre la sísmica del sol; según otros estudios, las pérdidas de masa estimadas indirectamente del sol temprano son demasiado pequeñas para esta. Una comparación con los soles jóvenes de hoy en el vecindario cósmico no pudo confirmar un aumento de masa. Un sol joven uniformemente fuerte durante miles de millones de años también está en contradicción con el conocimiento establecido de la historia climática, especialmente sobre los períodos fríos y las etapas de bola de nieve que ocurren en el Precámbrico, y también choca con el hallazgo astrofísico de que la pérdida de masa con los soles cercanos de diferentes edades tiene lugar de forma continua.

Interpretaciones biológicas

La hipótesis de Gaia y el papel autorregulador de la vida

La hipótesis de Gaia de James Lovelock , según la vida en la Tierra, incluso el mecanismo de control esencial, sin el cual la tierra podría haber experimentado el destino de Marte o Venus. Según la hipótesis, la tierra, y en particular la biosfera, puede verse como un organismo vivo macroscópico auto-similar con propiedades de la vida como la autopoiesis y la homeostasis , que crea, mantiene y desarrolla las condiciones para sí mismo. El nombre se deriva de Gaia , la diosa de la tierra de la mitología griega. Esto incluye la retroalimentación entre la vegetación, su capacidad de almacenamiento de agua y las precipitaciones, así como el albedo modificado por la cobertura vegetal y el uso de la tierra . Otro efecto de retroalimentación mencionado en este contexto es la absorción de dióxido de carbono por el plancton marino calcáreo y los corales, como la liberación de dióxido de carbono en el curso del ciclo de las rocas . Estas funciones son asumidas en gran parte por formas de vida "inferiores" como las células unicelulares o las algas .

Los eventos de extinción afectan principalmente a formas de vida superiores y altamente especializadas y no contradicen esto. Formas importantes de circuitos de control biológico , como los corales formadores de arrecifes y una gran cantidad de otros organismos, no aparecieron hasta después de la explosión del Cámbrico hace más de 500 millones de años. Para la estabilidad probada y el clima vivible casi continuamente durante los miles de millones de años antes, que fue fundamental para la paradoja, otros organismos tendrían que haber realizado esta función antes de ser desplazados por los "recién llegados" evolutivos.

Jim Kasting está de acuerdo en que la vida juega un papel importante en el ciclo del carbono, como su influencia en la meteorización y el contenido de oxígeno, pero los principales factores que influyen siguen siendo tanto físicos como abióticos.

La suposición de la vida terrestre como un mecanismo regulador altamente organizado contradice la hipótesis de Medea formulada por el paleontólogo Peter Ward , según la cual la vida multicelular no tiene propiedades de preservación del sistema sino una tendencia a la autodestrucción.

La vida en una tierra joven y fría

En las últimas décadas, se han descubierto formas de vida en la tierra en condiciones ambientales muy frías, como el mar de Vostok, que se encuentra bajo la capa de hielo de la Antártida . Según John Priscu , este también podría ser el caso en Marte. En contraste con la suposición de Hart, la Zona Continuamente Habitable en el sistema solar se ha extendido mientras tanto hasta cerca de Marte.

Sin embargo, una interpretación de la paradoja sobre esta base tiene poca relevancia. El clima de la tierra arcaica era aparentemente más cálido de lo que es hoy, y las huellas geológicas con respecto al agua líquida, a diferencia de los procesos de formación de hielo, se han extendido desde los tiempos más remotos. Para decirlo más claramente, ha habido indicios de vida basada en el agua en la tierra "desde que había piedras". Los hallazgos de Priscus son fundamentales para la continuación de la vida terrestre durante las glaciaciones globales (así como la probabilidad de vida en otros planetas y lunas).

Influencia de los errores de medición en la paradoja

Estudios paleoclimatológicos más antiguos describieron un clima cálido con temperaturas de hasta 70 ° C para el Arcaico y en parte para todo el Precámbrico. La mayoría de los geocientíficos dudan de esta suposición debido a los períodos fríos que han ocurrido mientras tanto. Actualmente, se considera probable una temperatura promedio moderadamente más alta que la actual.

Según diversos análisis, los elementos básicos del ciclo del carbono se establecieron hace 4 mil millones de años. Un valor máximo cien veces mayor de la concentración de CO 2 y otros gases de efecto invernadero en comparación con el actual no se discute, pero según la opinión abrumadora no puede resolver la paradoja. Con una proporción significativamente mayor de dióxido de carbono en la atmósfera, la siderita mineral de carbonato de hierro debería haberse formado en cantidades considerables, lo que aún no ha sido probado. Por el contrario, Haqq-Misra y otros no ven la ausencia de siderita como el único criterio de exclusión. Según un estudio publicado en 2008, una comparación con datos de absorción más recientes requería una concentración de dióxido de carbono más baja de un orden de magnitud para el Arcaico tardío y el Proterozoico temprano. Para el Arcaico tardío, solo se requeriría una presión parcial de dióxido de carbono de 1,5 a 5,5 mbar (en comparación con los 0,28 mbar preindustriales) para un clima moderadamente cálido.

Desafíos metodológicos

Roca del período de la glaciación paleoproterozoica con rastros de vida temprana
Estructura de capa fina de estromatolitos del período Cretácico ( Maastrichtiano )

Incluso la reconstrucción de la historia climática más reciente, basada en una gran cantidad de indicadores climáticos indirectos , ha estado ocasionalmente acompañada de controversias. Para la interpretación de la paradoja, sin embargo, son necesarios métodos de determinación paleoclimatológicos. Independientemente del rápido progreso de las diversas técnicas analíticas, como la investigación de isótopos , las declaraciones sobre épocas antiguas siempre están cargadas de ciertas incertidumbres, aunque el registro fósil también puede mostrar brechas más grandes con el paso del tiempo.

Vida temprana

La evidencia indirecta de la vida temprana se puede encontrar, entre otras cosas, en quimofósiles y fósiles, en los que se encuentran estructuras biogénicas como los estromatolitos . La detección de rastros de vida y la evaluación del ciclo del material en la atmósfera en diferentes períodos geológicos se realiza a través de la investigación de alta resolución de las inclusiones de gas y grafito más finas , así como microfósiles en minerales.

Formación del océano y la corteza terrestre.

La evidencia de la existencia de un océano y una corteza terrestre sólida hace 3.800 millones de años es relativamente común. El mineral más antiguo conocido, de 4.400 millones de años, son los cristales de circón del cratón de Pilbara en Australia Occidental . Además, hay indicios de que la corteza y el océano ya estaban separados en ese momento. Los circones pueden atravesar el ciclo de las rocas varias veces . Por su estructura de celosía estable, son resistentes a influencias como la meteorización y la metamorfosis de las rocas y, gracias a los nucleidos encerrados en los cristales, permiten información isotópica-geoquímica sobre las condiciones de su formación además de una determinación radiométrica de su edad . Esto requiere un muestreo y una preparación complejos, así como métodos de análisis de alta resolución, como la espectrometría de masas .

Reconstrucción de la curva de temperatura

Las evaluaciones del perfil de temperatura en el pasado geológico son igualmente complejas. Al medir las temperaturas medias más tempranas, son posibles cambios sistemáticos en las mediciones de isótopos de oxígeno subyacentes; también debe tenerse en cuenta una influencia en los valores medidos determinados hoy por influencias intermitentes.

Papel de la paradoja en Marte y Titán, la luna de Saturno

Vista panorámica de los 4000 km de Valles Marineris

La paradoja también afecta al planeta Marte , en cuya superficie, por lo tanto, no debería haber existido agua líquida. Por el contrario, según hallazgos más recientes, la atmósfera marciana era mucho más densa en los primeros días del sistema solar que en la actualidad. Además, probablemente existían abundantes recursos hídricos en el planeta rojo, posiblemente incluso en forma de océanos y sistemas fluviales relativamente extensos . La evidencia de esto la proporcionan las estructuras de erosión a base de agua o los valles secos de los antiguos ríos.

En Titán , la luna de Saturno , se observó una nebulosa de color naranja formada por compuestos orgánicos de composición aún desconocida. El astrofísico Carl Sagan acuñó el término Tholine y sospechaba que tal capa de la tierra primitiva era un factor esencial en el origen de la vida. Debido a esta propiedad, la luna de Saturno se convirtió en uno de los objetos más interesantes del sistema solar. Sagan también había asumido un efecto de calentamiento de esta niebla. Otros autores contradicen este punto de vista y postulan un "efecto anti-invernadero".

Según la investigación actual, un aerosol hecho de hidrocarburos ramificados (en lugar de gotas esféricas como se suponía anteriormente) podría haber tenido una gran influencia en el comportamiento de absorción de la atmósfera. Dicho aerosol absorbe la luz ultravioleta, pero es en gran parte transparente a la luz visible.

enlaces web

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