مفارقة الشمس الشابة الخافتة

اقترح ساغان ومولين، خلال وصفهما للمفارقة، إمكانية حلها بتركيزات عالية من غاز الأمونيا ( NH₃ ₎ . ^{[ 4 ]} إلا أنه تبين لاحقًا أن الأمونيا، رغم كونها غازًا دفيئًا فعالًا، تتحلل بسهولة ضوئيًا في الغلاف الجوي وتتحول إلى غازي النيتروجين (N₂ ₎ والهيدروجين ( H₂ ₎ . ^{[ 9 ]} وقد اقترح ساغان أيضًا أن الضباب الضوئي الكيميائي ربما يكون قد منع تحلل الأمونيا وسمح لها بالاستمرار في العمل كغاز دفيئة خلال تلك الفترة؛ ^{[ 10 ]} ولكن بحلول عام 2001، تم اختبار هذه الفكرة باستخدام نموذج ضوئي كيميائي وتم دحضها. ^{[ 11 ]} علاوة على ذلك، يُعتقد أن هذا الضباب قد ساهم في تبريد سطح الأرض تحته وموازنة تأثير الاحتباس الحراري. ^{[ 11 ]} في حوالي عام 2010، أعاد باحثون في جامعة كولورادو إحياء الفكرة، بحجة أن فرضية الأمونيا تُعدّ مساهماً محتملاً إذا شكّل الضباب نمطاً كسرياً. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

يُعتقد الآن أن ثاني أكسيد الكربون كان موجودًا بتركيزات أعلى خلال هذه الفترة من انخفاض الإشعاع الشمسي. وقد طُرحت هذه الفرضية لأول مرة وجُرّبت كجزء من تطور الغلاف الجوي للأرض في أواخر سبعينيات القرن الماضي. ووجد أن وجود غلاف جوي يحتوي على ما يقارب ألف ضعف المستوى الحالي من ثاني أكسيد الكربون يتوافق مع المسار التطوري لدورة الكربون على الأرض والتطور الشمسي. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

الآلية الرئيسية لبلوغ هذه التركيزات العالية من _ثاني أكسيد الكربون هي دورة الكربون. على المدى الزمني الطويل، يُعدّ الفرع غير العضوي من دورة الكربون، المعروف بدورة الكربونات والسيليكات، مسؤولاً عن تحديد توزيع ثاني أكسيد الكربون _بين الغلاف الجوي وسطح الأرض. على وجه الخصوص، خلال فترات انخفاض درجات حرارة سطح الأرض، تنخفض معدلات هطول الأمطار والتجوية ، مما يسمح بتراكم ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي على مدى 0.5 مليون سنة. ^{[ 17 ]}

على وجه التحديد، باستخدام نماذج أحادية البعد، التي تمثل الأرض كنقطة واحدة (بدلاً من كونها شيئًا يتغير عبر ثلاثة أبعاد)، توصل العلماء إلى أنه عند 4.5 مليار سنة، مع شمس أقل سطوعًا بنسبة 30%، يلزم حد أدنى من الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون يبلغ 0.1 بار _للحفاظ على درجة حرارة سطحية أعلى من درجة التجمد؛ وقد اقتُرح 10 بار من _ثاني أكسيد الكربون كحد أقصى معقول. ^{[ 15 ] [ 18 ]}

لا تزال كمية ثاني أكسيد الكربون محل نقاش. ففي عام 2001، أشار سليب وزانلي إلى أن زيادة التجوية في قاع البحر على كوكب الأرض الفتيّ والنشط تكتونيًا ربما تكون قد قللت من وفرة ثاني أكسيد الكربون. ^{[ 19 ]} ثم في عام 2010، قام روزينغ وآخرون بتحليل رواسب بحرية تُعرف بتكوينات الحديد الشريطية _، ووجدوا كميات كبيرة من معادن غنية بالحديد، بما في ذلك الماغنيتيت (Fe3O4 ₎ ، وهو معدن مؤكسد، إلى جانب السديريت (FeCO3 ₎ ، وهو معدن مُختزل، ولاحظوا أنها تشكلت خلال النصف الأول من تاريخ الأرض (وليس بعد ذلك). يشير التعايش النسبي لهذه المعادن إلى توازن مماثل بين ثاني أكسيد الكربون _{والهيدروجين} . وفي التحليل، ربط روزينغ وآخرون تركيزات الهيدروجين في الغلاف الجوي _{بتنظيمها بواسطة} عملية إنتاج الميثان الحيوية . وبالتالي، ربما تكون الكائنات الحية اللاهوائية وحيدة الخلية التي تنتج الميثان (CH4 ₎ قد ساهمت في الاحترار بالإضافة إلى ثاني أكسيد الكربون. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

كان القمر في الأصل أقرب بكثير إلى الأرض، التي كانت تدور بسرعة أكبر مما هي عليه اليوم، مما أدى إلى تسخين مدّي أكبر مما هو عليه الآن. وقد أشارت التقديرات الأولية إلى أن التسخين المدّي المبكر كان ضئيلاً، ربما 0.02 واط لكل متر مربع. (للمقارنة، تبلغ الطاقة الشمسية الساقطة على الغلاف الجوي للأرض حوالي 1000 واط لكل متر مربع).

مع ذلك، في حوالي عام 2021، جادل فريق بقيادة رينيه هيلر في ألمانيا بأن هذه التقديرات مبسطة، وأن التسخين المدّي في بعض النماذج المعقولة ربما ساهم بنحو 10 واط لكل متر مربع، ورفع درجة حرارة التوازن بما يصل إلى خمس درجات مئوية على مدى 100 مليون سنة. من شأن هذه المساهمة أن تحل جزئيًا المفارقة، لكنها غير كافية لحل مفارقة القمر الفتيّ الخافت بمفردها دون عوامل إضافية كالتسخين الناتج عن الاحتباس الحراري. ^{[ 22 ]} مع ذلك ، فإن الافتراض الأساسي لتكوّن القمر خارج حد روش ليس مؤكدًا: إذ يُحتمل أن يكون قرص ممغنط من الحطام قد نقل الزخم الزاوي، مما أدى إلى قمر أقل كتلة في مدار أعلى. ^{[ 23 ]}

يُقدّم الفيزيائي الإسرائيلي الأمريكي نير شافيف رأيًا أقل شيوعًا، يستند إلى تأثيرات مناخية للرياح الشمسية، بالإضافة إلى فرضية الفيزيائي الدنماركي هنريك سفينسمارك حول تأثير التبريد الناتج عن الأشعة الكونية . ^{[ 24 ]} ووفقًا لشافيف، كانت الشمس في بداياتها تُصدر رياحًا شمسية أقوى، مما أدى إلى تأثير وقائي ضد الأشعة الكونية. في تلك الحقبة المبكرة، كان تأثير الاحتباس الحراري المعتدل، المماثل لما هو عليه اليوم، كافيًا لتفسير خلو الأرض من الجليد إلى حد كبير. وقد عُثر على أدلة تُشير إلى نشاط شمسي أكبر في بداياتها في النيازك . ^{[ 25 ]}

يتزامن انخفاض درجة الحرارة حوالي 2.4 مليار سنة مع تعديل تدفق الأشعة الكونية نتيجة لتغير معدل تكوين النجوم في مجرة ​​درب التبانة . ويؤدي انخفاض التأثير الشمسي لاحقًا إلى تأثير أقوى لتدفق الأشعة الكونية، وهو ما يُفترض أن يؤدي إلى علاقة مع التغيرات المناخية.

لقد طُرحت عدة مرات فرضية مفادها أن فقدان الكتلة من الشمس الفتية الخافتة، على شكل رياح شمسية أقوى، ربما يكون قد عوض عن انخفاض درجات الحرارة الناتج عن تأثير غازات الاحتباس الحراري. ^{[ 26 ]} وفي هذا السياق، شهدت الشمس في بداياتها فترة طويلة من زيادة إنتاج الرياح الشمسية. واستنادًا إلى بيانات الكواكب الخارجية، تسبب ذلك في فقدان الشمس لكتلة تتراوح بين 5 و6 بالمئة خلال عمرها، ^{[ 27 ]} مما أدى إلى مستوى أكثر استقرارًا من اللمعان الشمسي (حيث كانت كتلة الشمس في بداياتها أكبر، مما أدى إلى إنتاج طاقة أكبر مما كان متوقعًا).

لتفسير الظروف الدافئة في حقبة الأركي ، لا بد أن يكون فقدان الكتلة هذا قد حدث على مدى مليار سنة تقريبًا. تُظهر سجلات زرع الأيونات من النيازك وعينات القمر أن معدل تدفق الرياح الشمسية المرتفع لم يستمر إلا لمدة 100 مليون سنة. تتوافق ملاحظات النجم الشاب الشبيه بالشمس π ¹ Ursae Majoris مع معدل انخفاض إنتاج الرياح النجمية هذا، مما يشير إلى أن ارتفاع معدل فقدان الكتلة وحده لا يكفي لحل هذه المفارقة. ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}

إذا لم تُعوّض تركيزات غازات الاحتباس الحراري تمامًا عن خفوت ضوء الشمس، فقد يُعزى نطاق درجات الحرارة المعتدل إلى انخفاض بياض سطح الأرض . في ذلك الوقت، كانت مساحة أصغر من اليابسة القارية المكشوفة ستؤدي إلى عدد أقل من نوى تكثف السحب، سواءً على شكل غبار محمول بالرياح أو مصادر بيولوجية. يسمح انخفاض البياض بوصول نسبة أكبر من الإشعاع الشمسي إلى سطح الأرض. درس غولدبلات وزانلي (2011) ما إذا كان تغيير نسبة السحب كافيًا للتسبب في ارتفاع درجة الحرارة، ووجدا أن التأثير الصافي كان من المرجح أن يكون سلبيًا أو إيجابيًا بنفس القدر. في أقصى الأحوال، كان من الممكن أن يرفع هذا التأثير درجات حرارة سطح الأرض إلى ما فوق درجة التجمد بقليل في المتوسط. ^{[ 31 ]}

تُشير آلية أخرى مُقترحة لانخفاض الغطاء السحابي إلى أن انخفاض الأشعة الكونية خلال هذه الفترة يرتبط بانخفاض نسبة الغطاء السحابي. ^{[ 32 ]} ومع ذلك، فإن هذه الآلية غير فعّالة لعدة أسباب، منها أن الأيونات لا تُحدّ من تكوّن السحب بقدر ما تُحدّ منه نوى تكثيف السحب، كما وُجد أن للأشعة الكونية تأثيرًا ضئيلاً على متوسط ​​درجة الحرارة العالمية. ^{[ 33 ]} ولا تزال السحب تُشكّل المصدر الرئيسي للشك في نماذج المناخ العالمية ثلاثية الأبعاد ، ولم يتم التوصل بعد إلى إجماع حول كيفية تأثير التغيرات في الأنماط المكانية للسحب وأنواعها على مناخ الأرض خلال هذه الفترة. ^{[ 34 ]}

على الرغم من أن كلاً من عمليات المحاكاة والقياسات المباشرة لتأثيرات قانون هابل على الأنظمة المرتبطة جاذبياً لم تُسفر عن نتائج حاسمة حتى عام 2022، ^{[ 35 ]} فقد لوحظ أن التوسع المداري بمعدل جزء من معدل التوسع المحلي لهابل قد يفسر الشذوذات المرصودة في التطور المداري، بما في ذلك مفارقة الشمس الفتية الخافتة. ^{[ 36 ]}

تفترض فرضية غايا أن العمليات البيولوجية تعمل على الحفاظ على مناخ سطحي مستقر للأرض، مما يضمن استمرار صلاحيتها للحياة، وذلك من خلال آليات التغذية الراجعة السلبية المختلفة. وبينما تعمل العمليات العضوية، كدورة الكربون العضوي، على تنظيم التغيرات المناخية الحادة، ويُفترض أن سطح الأرض ظل صالحًا للحياة، فقد وُجهت انتقادات لهذه الفرضية باعتبارها معقدة. علاوة على ذلك، فقد وُجدت الحياة على سطح الأرض خلال تغيرات مناخية حادة، بما في ذلك فترات الأرض المتجمدة . كما توجد نسخ قوية وأخرى ضعيفة من فرضية غايا، مما أدى إلى بعض التوتر في هذا المجال البحثي. ^{[ 34 ]}

يُعاني المريخ من مفارقة الشمس الفتية الخافتة. تُظهر تضاريسه علامات واضحة لوجود مياه سائلة على سطحه في الماضي، بما في ذلك قنوات التدفق، والأخاديد، والفوهات المُعدّلة، وشبكات الوديان. تُشير هذه السمات الجيومورفولوجية إلى أن المريخ كان يحتوي على محيط على سطحه وشبكات أنهار تُشبه تلك الموجودة على الأرض حاليًا خلال أواخر العصر النواخي (4.1-3.7 مليار سنة). ^{[ 37 ] [ 38 ]} من غير الواضح كيف يُمكن لنمط مدار المريخ، الذي يجعله أبعد عن الشمس، وخفوت الشمس الفتية أن يُنتجا ما يُعتقد أنه كان مناخًا دافئًا ورطبًا للغاية على سطحه. ^{[ 39 ]} يتجادل العلماء حول أيّ السمات الجيومورفولوجية يُمكن أن تُعزى إلى خطوط الشواطئ أو غيرها من مؤشرات تدفق المياه، وأيّها يُمكن أن تُعزى إلى آليات أخرى. ^{[ 34 ]} مع ذلك، فإن الأدلة الجيولوجية، بما في ذلك مُلاحظات التعرية النهرية واسعة النطاق في المرتفعات الجنوبية، تتفق عمومًا مع مناخ دافئ وشبه جاف في بداياته. ^{[ 40 ]}

بالنظر إلى الظروف المدارية والشمسية للمريخ في مراحله المبكرة، كان من الضروري وجود تأثير الاحتباس الحراري لرفع درجة حرارة سطحه بمقدار 65 كلفن على الأقل حتى تتمكن المياه المتدفقة من نحت هذه المعالم السطحية. ^{[ 39 ] [ 40 ]} وقد اقتُرح وجود غلاف جوي أكثر كثافة، يهيمن عليه _ثاني أكسيد الكربون ، كوسيلة لإحداث مثل هذا الارتفاع في درجة الحرارة. ويعتمد ذلك على دورة الكربون ومعدل النشاط البركاني خلال حقبتي ما قبل النواخي والنواخي، وهما أمران غير معروفين بدقة. ويُعتقد أن انبعاث الغازات المتطايرة قد حدث خلال هاتين الحقبتين. ^{[ 39 ]}

إحدى طرق التأكد مما إذا كان المريخ يمتلك غلافًا جويًا كثيفًا غنيًا بثاني أكسيد الكربون _هي فحص رواسب الكربونات. تُعد دورة الكربونات والسيليكات من أهم مصادر امتصاص الكربون في الغلاف الجوي للأرض . مع ذلك، كان من الصعب أن يتراكم _{ثاني أكسيد الكربون في} الغلاف الجوي للمريخ بهذه الطريقة، لأن تأثير الاحتباس الحراري كان سيُطغى عليه بتكثيف _ثاني أكسيد الكربون . ^{[ 41 ]}

_{يُعدّ وجود غاز ثاني} أكسيد الكربون _{والهيدروجين} المنبعث من البراكين سيناريو محتملاً طُرح مؤخراً لحالة المريخ في مراحله المبكرة. ^{[ 42 ]} وقد تكون الانفجارات المتقطعة للميثان احتمالاً آخر. ويبدو أن مثل هذه التركيبات من غازات الدفيئة ضرورية، لأن ثاني أكسيد الكربون وحده، حتى عند ضغوط تتجاوز بضعة بارات، لا يُمكنه تفسير درجات الحرارة اللازمة لوجود الماء السائل على سطح المريخ في مراحله المبكرة. ^{[ 43 ] [ 40 ]}

يتكون غلاف كوكب الزهرة الجوي من 96% من ثاني أكسيد الكربون. قبل مليارات السنين، عندما كانت الشمس أقل سطوعًا بنسبة 25 إلى 30%، ربما كانت درجة حرارة سطح الزهرة أبرد بكثير، وربما كان مناخها مشابهًا لمناخ الأرض الحالي، بما في ذلك دورة المياه - قبل أن تشهد ظاهرة الاحتباس الحراري الجامح . ^{[ 44 ]}