Το Παράδοξο του Νεαρού Αμυδρού Ήλιου

Άρθρο, Αύγουστος 2005

Σύμφωνα με τη θεωρία, ο ήλιος παράγει ενέργεια με τη θερμοπυρηνική μετατροπή του υδρογόνου σε ήλιο, βαθιά μέσα στον πυρήνα του. Υπάρχουν πειστικά στοιχεία ότι ο ήλιος δημιουργεί τουλάχιστον τη μισή από την ενέργειά του μ' αυτό τον τρόπο. Μια τέτοια θερμοπυρηνική πηγή θα μπορούσε να τροφοδοτήσει τον ήλιο για σχεδόν 10 δισεκατομμύρια έτη. Και επειδή οι περισσότεροι επιστήμονες νομίζουν ότι ο ήλιος (μαζί με το υπόλοιπο του ηλιακού συστήματος) είναι περίπου 4,6 δισεκατομμυρίων ετών, αυτό σημαίνει ότι βρίσκεται στο ήμισυ περίπου της ζωή του.

Κατά τη διάρκεια της μισής ζωής του ήλιου, οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις, σύμφωνα με τη θεωρία, θα άλλαζαν βαθμιαία τη σύνθεση του πυρήνα του ήλιου και φυσικά θα άλλαζαν τη γενική φυσική δομή του άστρου μας. Λόγω αυτής της διαδικασίας, ο ήλιος θα γινόταν βαθμιαία λαμπρότερος όσο θα περνούσαν τα 'χρόνια' του. Και κατά συνέπεια, αφού ο ήλιος είναι 4,6 δισεκατομμυρίων ετών, θα πρέπει να έχει γίνει πιο λαμπρός από όσο ήταν όταν ήταν νεαρός.

Με όρους της φυσικής η ενέργεια που εκπέμπεται από ένα άστρο είναι ανάλογη προς την τέταρτη δύναμη της απόλυτης θερμοκρασίας της, e ~ T4, σύμφωνα με το νόμο των Stefan- Boltzmann. Αυτός ο νόμος που ονομάζεται νόμος του μέλανος σώματος ισχύει επίσης για τους πλανήτες και οποιοδήποτε άλλο σώμα σε τροχιά γύρω από ένα άστρο, απορροφώντας ενέργεια από αυτό. Έτσι και η απόλυτη θερμοκρασία του πλανήτη είναι κι αυτή Tπλανήτη ~ e1/4.

Αν λοιπόν η ενέργεια που κάποτε εκπεμπόταν από το άστρο ήταν το 70% της σημερινής τιμής, η θερμοκρασία του πλανήτη θα ήταν (0.70)1/4, ή περίπου το 91% της σημερινής τιμής. Η σημερινή μέση παγκόσμια θερμοκρασία είναι 10ο C ή 283K σε απόλυτους βαθμούς. Η θερμοκρασία της Γης την εποχή που ο Ήλιος ήταν εξασθενημένος πρέπει να ήταν 9% πιο ψυχρή ή 258 Kelvin ή -15o C. Δηλαδή 25ο C πιο ψυχρή από όσο σήμερα. Η Γη σε αυτήν την θερμοκρασία θα ήταν σχεδόν μια στερεά σφαίρα πάγου, με μια ίσως μικρή ποσότητα υγρού ύδατος στον ισημερινό. Ο λευκός πάγος θα αντανακλούσε ένα μεγάλο μέρος της ακτινοβολίας του ήλιου, οδηγώντας τη Γη σε ακόμη περισσότερο ψύξη.

Το Παράδοξο του Νεαρού Αμυδρού Ήλιου

Όπως μέχρι τώρα ξέρουμε ο ήλιος μας ξεκίνησε τη ζωή του όταν έφθασε η βαρυτική συμπίεση του προ-ηλιακού νεφελώματος του αερίου και της σκόνης σε τέτοιες υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες, που το υδρογόνο αναφλέγει αρχικά για να κάνει το ήλιο. Αυτό στην ουσία σήμαινε μια αδιάκοπη έκρηξη βομβών υδρογόνου. Η έκρηξη προσπάθησε να διασπάσει το αστέρι βρέφος. Αλλά η εσωτερική πίεση που παρήχθη από τη βαρύτητα απέτρεψε τη διάσπαση. Από τότε, οι δύο αντιτιθέμενες δυνάμεις από την σύντηξη και από τη βαρύτητα έχουν ισορροπηθεί λίγο πολύ.

Εντούτοις, οι καταστάσεις κατά τη διάρκεια του χρόνου αλλάζουν καθώς το υδρογόνο καταναλώνεται. Ένα μέσης ηλικίας άστρο, όπως είναι ο ήλιος μας, στον πυρήνα του έχει αυξηθεί η ποσότητα του ηλίου. Κατά συνέπεια, η σύντηξη του υδρογόνου πραγματοποιείται πιο μακριά από το κέντρο του άστρου, γεγονός που αυξάνει την ενεργειακή παραγωγή και η επιφάνεια του γίνεται πιο καυτή. Το φαινόμενο μπορεί να υπολογιστεί σύμφωνα με τους κανόνες της αστροφυσικής, και έχει γίνει ευρέως αποδεκτό ότι ο αρχικός ήλιος ήταν, περίπου, πιο ψυχρός κατά 70% από όσο τώρα. Εάν πράγματι αυτό συνέβαινε, η μέση θερμοκρασία της Γης θα πρέπει να ήταν 25ο C πιο ψυχρή και η επιφάνεια του πλανήτη μας θα έπρεπε να είχε καλυφθεί από παχύ πάγο.

Οι περισσότεροι επιστήμονες υποστηρίζουν ότι η ζωή εμφανίστηκε στη Γη περίπου πριν 3,8 δισεκατομμύρια έτη. Από τότε όμως, ο ήλιος θα είχε γίνει λαμπρότερος κατά 25% περίπου, αν και υπάρχει κάποια αβεβαιότητα για την ακρίβεια αυτού του νούμερου. Όμως έτσι θα εμφανιζόταν ένα πρόβλημα θερμοκρασίας για την εξέλιξη της ζωής και της Γης. Με τη σημερινή παγκόσμια αύξηση της θερμοκρασίας - λόγω του φαινομένου του θερμοκηπίου - κάποιος θα σκεφτόταν ότι μια τέτοια μεγάλη διαφορά στην ηλιακή ακτινοβολία θα είχε αυξήσει κατά πολύ τη γήινη θερμοκρασία, στα δισεκατομμύρια έτη που μεσολάβησαν. Αλλά οι περισσότεροι βιολόγοι και γεωλόγοι θεωρούν ότι η Γη έχει διατηρήσει σχεδόν μια σταθερή μέση θερμοκρασία στα προηγούμενα 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια, με μάλλον θερμότερες συνθήκες στα πρώτα 'χρόνια΄ της Γης.

Και αυτό το πρόβλημα, για το πώς ο ήλιος θα μπορούσε να έχει αυξήσει τη λαμπρότητα του ενώ η γη να διατηρεί μια σχεδόν σταθερή θερμοκρασία, ονομάζεται το Παράδοξο του Νεαρού Εξασθενημένου Ήλιου.

Το "Παράδοξο του Νεαρού Αμυδρού Ήλιου" βρίσκεται στο γεγονός ότι ξέρουμε από τα γεωλογικά και απολιθωμένα αρχεία ότι η Γη δεν ήταν παγωμένη στα αρχικά στάδια της ιστορίας της, όταν θα έπρεπε να είναι. Παραδείγματος χάριν, οι ιζηματώδεις βράχοι που είναι σε στρώσεις δείχνουν την παρουσία ρέοντας ύδατος. Οι αποθέσεις των εποχών του πάγου δεν είναι πιο πολλές, όσο στην ύστερη ιστορία της Γης.

Και πόσο μεγάλο είναι το πρόβλημα;

Με τους απλούς υπολογισμούς που κάναμε πριν βρήκαμε ότι η μέση θερμοκρασία της Γης ήταν 25 βαθμούς μικρότερη. Επίσης, ας υποθέσουμε ότι κατά το παρελθόν δεν έχει γίνει καμία αλλαγή στη γήινη ανακλαστικότητα ή την ικανότητα της γης να ακτινοβολεί θερμότητα προς το διάστημα. Αυτό σημαίνει ότι η μέση θερμοκρασία της Γης πριν 3,8 δισεκατομμύρια έτη ήταν κάτω από το σημείο ψύξεως του νερού και κατά συνέπεια όταν η ζωή υποθετικά άρχιζε, τότε ένα μεγάλο μέρος της Γης θα είχε παγώσει.

Ακόμη και με μια τέτοια χαμηλή μέση θερμοκρασία μερικά τροπικά τμήματα της γης μπορεί να είχαν παραμείνει ελεύθερα από πάγους. Φυσικά, μερικοί επιστήμονες λένε ότι η ζωή αναπτύχθηκε στις θερμότερες περιοχές και διατηρήθηκε εκεί έως ότου θερμάνθηκε όλη η γη. Εντούτοις, υπάρχουν τουλάχιστον δύο προβλήματα με αυτή τη θέση.

  1. Οι περισσότεροι γεωλόγοι φαίνονται να επιμένουν ότι κατά τη διάρκεια των προηγούμενων 3,8 δισεκατομμυρίων ετών η μέση θερμοκρασία της Γης δεν έχει αλλάξει και τόσο. Αν μη τι άλλο οι θερμοκρασίες πριν από 2,5 δισεκατομμύρια έτη θα ήταν θερμότερες.

  2. Εάν η Γη ήταν καλυμμένη ως επί το πλείστον με πάγο για πολύ χρόνο, τότε η μέση θερμοκρασία της θα ήταν ακόμα πιο ψυχρή από τους -15 βαθμούς Κελσίου που προαναφέρθηκε. Η αυξανόμενη παγοκάλυψη θα αύξανε την ανακλαστικότητα της Γης, που έχει σαν συνέπεια τη μείωση της θερμότητας που απορροφάται από τον ήλιο. Αυτό είναι ένα συνηθισμένο πρόβλημα με τη δημοφιλή ιδέα των πολλαπλών Ψυχρών Εποχών ή του Πάγου - μόλις αρχίζει μία τέτοια εποχή να αυξάνεται σοβαρά, τότε η αυξανόμενη ανακλαστικότητα - λόγω των πρόσθετων καλυμμάτων του πάγου - οδηγεί στη μειούμενη απορρόφηση ηλιακής θερμότητας, που είναι δύσκολο να αντιστραφεί προς ένα θερμότερο κλίμα.

Οι περισσότεροι επιστήμονες επιλύουν το Παράδοξο του Νεαρού Αμυδρού Ήλιου ως εξής:

Υποθέτουν ότι η αρχική ατμόσφαιρα της γης είχε περισσότερα αέρια του θερμοκηπίου από ότι έχει σήμερα η ατμόσφαιρα. Κατά αυτό τον τρόπο θα είχε διατηρηθεί η γη θερμή παρόλο που ο ήλιος θα ήταν τότε λιγότερο λαμπρός. Δεδομένου ότι συν τω χρόνο η φωτεινότητα του ήλιου αυξήθηκε , η ποσότητα των αερίων του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα υποτίθεται ότι μειώθηκε κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να εξουδετερωθεί ακριβώς η αυξανόμενη θερμότητα που έρχεται από τον ήλιο. Με άλλα λόγια, καθώς εξελίχθηκε ο ήλιος, η γήινη ατμόσφαιρα εξελίχθηκε επίσης κατά τέτοιο τρόπο ώστε να ακυρώσει την επίδραση της αυξανόμενης ηλιακής ακτινοβολίας. Η εξέλιξη της ζωής υποτίθεται ότι έχει διαδραματίσει έναν ρόλο σε αυτήν την εξέλιξη της ατμόσφαιρας.

Σαφώς, τέτοια εξέλιξη της γήινης ατμόσφαιρας θα απαιτούσε μια πολύ λεπτή ισορροπία. Ενώ υπάρχει κάποια ανοχή για μια μικρή απόκλιση, οποιαδήποτε παρατεταμένη απόκλιση από τους ιδανικούς όρους θα μπορούσε να έχει οδηγήσει στην καταστροφική θέρμανση ή την ψύξη, από την οποία η Γη να μην μπορεί να συνέλθει. Η Αφροδίτη και ο Άρης είναι ενδεχομένως παραδείγματα για κάθε ένα από αυτά τα σενάρια.

Οι πλανητικοί επιστήμονες νομίζουν ότι ενώ η Γη και η Αφροδίτη είναι αρκετά παρόμοιες, επειδή η Αφροδίτη είναι πολύ κοντά στον ήλιο η αρχική της θερμοκρασία ήταν υψηλότερη από αυτή της γης, κάτι που την οδήγησε σε ένα φαινόμενο θερμοκηπίου χωρίς όριο. Κατά συνέπεια, σήμερα η Αφροδίτη έχει τη μεγαλύτερη επιφανειακή θερμοκρασία στο ηλιακό μας σύστημα. Αντιθέτως, ο Άρης είναι ένας πολύ ψυχρός πλανήτης σήμερα, όμως υπάρχουν άφθονα στοιχεία ότι, στην πρώτη φάση της ιστορίας του, έρεε υγρό νερό στην επιφάνειά του, κάτι που δείχνει ότι ο Άρης ήταν πολύ θερμότερος από όσο σήμερα. Οι περισσότεροι ερευνητές λένε ότι αυτό συνέβη περίπου πριν 3,8 δισεκατομμύρια έτη. Εντούτοις, εκείνη την περίοδο η ακτινοβολία του ήλιου θα ήταν 25% πιο εξασθενημένη από όσο σήμερα. Επομένως, το Παράδοξο του Νεαρού Εξασθενημένου Ήλιου δίνει ένα πολύ διαφορετικό σενάριο για τον Άρη: γιατί ήταν εκείνος ο πλανήτης πολύ θερμότερος όταν ήταν ο ήλιος ήταν τότε πιο αμυδρός;

Με τα προφανώς καταστρεπτικά αποτελέσματα για τους κοντινότερους πλανητικούς γείτονές μας, πώς και η Γη απέφυγε μια παρόμοια μοίρα; Πώς η γήινη ατμόσφαιρα κατόρθωσε να εξελιχθεί με μια τέτοια λεπτή ισορροπία; Μια πιθανότητα είναι ότι συνέβη όπως αναφέρθηκε πιο πάνω. Δηλαδή, οι γεωλογικές και βιολογικές διαδικασίες αφαίρεσαν ακριβώς τόσα αέρια θερμοκηπίου όσα για να αντισταθμίσουν την αυξανόμενη ηλιακή φωτεινότητα.

Επειδή η εξέλιξη μιας τέτοιας λεπτής ισορροπίας είναι αρκετά απίθανη, μερικοί έχουν προτείνει ότι η γήινη βιόσφαιρα συμπεριφέρεται ως ένας γιγαντιαίος ενιαίος οργανισμός. Αυτή η πανθεϊστική ιδέα, που προτάθηκε από το βρετανό μηχανικό και συγγραφέα James Lovelock, ονομάζεται η Υπόθεση της Γαίας. Ο Lovelock ανίχνευσε πρώτος χλωροφθοράνθρακες στην ατμόσφαιρα, βοηθώντας να ξεκινήσει η διαδικασία του Πρωτοκόλλου του Μόντρεαλ για την προστασία του στρώματος του όζοντος. Και το σπουδαίο είναι ότι τα αέρια του θερμοκηπίου ρυθμίζονται με τις διαδικασίες της ζωής, οι οποίες είναι με αυτόν τον τρόπο υπεύθυνες για την διατήρηση της Γης σε μια θερμοκρασία κατάλληλη για τη ζωή.

Οι επιστήμονες βέβαια τώρα ανησυχούν ότι οι άνθρωποι παρεμποδίζουν αυτές τις ρυθμιστικές διαδικασίες και αυξάνουν τις παγκόσμιες θερμοκρασίες σε μία εποχή που δεν χρειάζονται και ενδεχομένως είναι αρκετά επιβλαβής.

Πολλοί όμως επιστήμονες απορρίπτουν την υπόθεση της Γαίας, γιατί αυτή η θεωρία στηρίζεται στην πιθανότητα.

Υπάρχει όμως και μια άλλη θεωρία θρησκευτικής προέλευσης. Αυτή που λέει ότι το ηλιακό σύστημα δεν είναι τόσο μεγάλης ηλικίας όσο φανταζόμαστε, αλλά έχει διάρκεια μόνο λίγων χιλιάδων χρόνων. Σε αυτήν την περίπτωση - σύμφωνα με αυτή τη θρησκευτική θεωρία - δεν υπάρχει κανένα παράδοξο γιατί ο ήλιος δεν είναι τόσο παλιός και επομένως δεν έχει αυξηθεί πολύ η φωτεινότητά του.

Είναι γνωστό ότι οι οπαδοί αυτής της θεωρίας δεν δέχονται σαν ακριβή τη ραδιοχρονολόγηση των δειγμάτων ή των μετεωριτών από τους επιστήμονες, που δείχνουν ότι η Γη είναι 4,5 δισεκατομμυρίων ετών, αλλά δέχονται μόνο σαν αληθινή την Βιβλική Ιστορία. Αυτή που λέει ότι ο Ήλιος είναι μόνο 6.000 ετών. Έτσι γι αυτούς λύεται το παράδοξο του Νεαρού Αμυδρού Ήλιου!

Πηγές: Αστροβιολογία, NASA.