Gyvybės egzistavimas Žemėje, panašu, buvo daugybės sėkmingų istorijos posūkių produktas. Žvilgtelėkime į Saulės istorijos pradžią. Sprendžiant iš to, ką žinome apie panašių žvaigždžių vystymąsi, ji turėjo gimti balzgana ir tik pamažu įkaisti iki dabartinio lygio. Žemė, gimusi su Saule prieš 4,5 milijardus metų, turėjo praleisti pirmus maždaug du milijardus metų kaip sušalęs ledo gabalas, be gyvybės ženklų.
Tačiau tuo laiku susidariusiose uolienose randame nuosėdų, tikrai susiformavusių vandenyje ir bakterijų fosilijų, kurios liudija, kad mūsų planeta buvo šiltas, apgyventas pasaulis jau po milijardo metų nuo pradžios ar panašiai. Šis neatitikimas, vadinamasis blyškios jaunos Saulės paradoksas, turi daug galimų sprendimų. Tačiau nei vienas neatrodo visai teisingas. Bet iš besikaupiančių ir atmetamų pasiūlymų ryškėja viena, vis sunkiau ignoruojama išvada: mums pasisekė, kad esame čia, dar labiau, nei manėme.
Blyškios jaunos Saulės paradokso šaknys siekia septintąjį XX a. dešimtmetį, kai astrofizikai atliko pirmas grubias kompiuterines cheminės sudėties pokyčių įtakos panašioms į mūsiškę žvaigždžių šviesumui ir spinduliuojamos šilumos kiekiui, simuliacijas. Rezultatai buvo aiškūs: daugiau vandenilio ankstyvos Saulės branduolyje reikštų didesnį slėgį viduje, žvaigždės branduolio išsiplėtimą ir temperatūros sumažėjimą. Dėl to Saulė iš pradžių spinduliavo 25–30 procentų mažiau, nei dabar. Taigi vidutinė ankstyvosios Žemės temperatūra buvo maždaug 20 laipsnių vėsesnė – apie 10 laipsnių žemiau vandens užšalimo taško.
Tačiau skysto vandens ženklai Žemėje beveik tokio pat amžiaus, kaip pati planeta. Mineralo cirkonio intarpai Jack Hills uolose Vakarų Australijoje datuojami 4,4 milijardų metų, turi deguonies izotopus, rodančius jų susiformavimą vandeningoje aplinkoje. Tame pačiame regione aptinkami iškastiniai stromatolitai, sluoksniuotos struktūros, kurias suformavo mikrobų kolonijos sekliuose vandenyse, kurių amžius – 3,5 milijardo metų.
„Tai aiškiai rodo, kad paprasti planetos apgyvendinimo modeliai neteisingi, – sako Davidas Mintonas, planetologas iš Purdue universiteto Vakarų Lafajete, Indianoje. – Žemėje buvo gyvybė, kai ji turėjo būti užšalusi dykynė.“
D. Mintonas yra vienas iš kelių dešimčių astrofizikų ir geofizikų, pernai susitikusių Baltimorėje, Marylande, aptarti šios mįslės sprendimo būdų: „Pasirodė, kad yra beveik tiek pat galimų sprendimų, kiek ir dalyvių.“
Pirmasis pasiūlymas tebelieka populiariausias: šiltnamio efektą sukeliančios dujos sulaikydavo daugiau silpnos Saulės spindulių. Pasiūlymą pirmą kartą 1972-aisiais „Science“ žurnale pateikė astronomai Carlas Saganas ir George‘as Mullenas. Bet paaiškėjo, kad tinkamų dujų radimas – kebli užduotis.
Teisingas kokteilis
Nepanašu, kad už tai atsakomybę galėtų prisiimti vien anglies dioksidas. Jis į dirvą patenka su lietumi arba tiesioginės difuzijos būdu ir sukelia irimą, atsispindintį uolienų, vadinamųjų paleozolių, mineralinėje sudėtyje. Senovės paleozolių tyrimas rodo, kad atmosferinio anglies dioksido lygis archėjaus eroje (prieš 3,8–2,5 mlrd. m.) buvo aukštesnis. Tam, kad okeanų temperatūra užtikrintai liktų 5 laipsniais aukštesnė nei užšalimo, reikėtų maždaug 300 kartų daugiau, nei dabartinis kiekis – 10 kartų daugiau, nei rodo patys dosniausi paleozolių vertinimai.
Jamesas Kastingas, paleoklimatologas iš Pensilvanijos valstijos universiteto Filadelfijoje, vis vien mano, kad anglies dioksidu pagrįstas šiltnamio efektas yra sprendimas, nurodydamas kitus jo vaidmens Žemės temperatūros reguliavime įrodymus. „Kreipiu dėmesį į šiuos vertinimus, netgi jei su jais nevisiškai sutinku“, – sako jis. Viso to reikia teisingo kitų dujų, susimaišiusių su anglies dioksidu, radimui.
1972 m. C. Saganas ir G. Mullenas pasiūlė amoniaką ir metaną. Bet amoniaką lengvai ardo ultravioletinė šviesa, o kadangi ankstyvoji Žemės atmosfera neturėjo ozono sluoksnio, jį lengvai būtų sunaikinę netgi silpnesni jaunos žvaigždės spinduliai. Metanas – galingos šiltnamio efektą sukeliančios dujos, bet jo koncentracijai išaugus pradeda formuotis organinė migla, sugerianti Saulės šviesą ir atspindinti ją atgal į kosmosą. Per daug metano planetos paviršių vėsina, o ne šildo – toks efektas ryškus Saturno palydove Titane.
Titanas pateikė kitus būdus paversti Žemės ankstyvą atmosferą jaukesne antklode. Robinas Wordsworthas ir Raymondas Pierrehumbertas iš Čikagos universiteto nesenai tyrė, ar didelė azoto ir vandenilio koncentracija, kaip esanti Titane, gali turėti šiltinantį efektą. Nors atsakymas teigiamas, nėra požymių, kad Žemės atmosfera kada nors buvo pakankamai tanki, kad galėtų išlaikyti reikiamus dujų kiekius.
„Pasirodo, visos dujos problematiškesnės, nei tikimasi“, – apgailestauja George‘as Feulneris iš Potsdamo klimato įtakos tyrimų instituto Vokietijoje. Jis įsitikinęs, kad paradoksas dar neišspręstas, nes kompiuteriniai senovės klimato tyrimo modeliai yra per grubūs, kad pateiktų prasmingus rezultatus.
Nepailstamas aktyvumas
Modeliai grubūs, kadangi dažniausiai ignoruoja tokius faktorius, kaip Žemės sukimasis, kuris dėl Mėnulio traukos per tuos metus sulėtėjo. Šis lėtėjimas galėjo pakeisti šilumos transportavimo prie ašigalių pobūdį, galbūt keisdami ir ledo dangalo plotą, tuo pačiu – gaunamą energiją, kurią Žemė atspindėdavo atgal į kosmosą, o ne sugerdavo.
Šis dydis – albedo – yra bendra problema. „Apie ankstyvosios Žemės albedo nežinome nieko“, – pažymi J. Kastingas. Vandenynai sugeria daugiau šilumos, nei sausuma, tad albedo veiks ir tokie faktoriai, kaip kontinentų išsidėstymas. O tolimoje praeityje dėl nenuilstamo Žemės tektoninio aktyvumo, jis buvo visiškai kitoks. Minikas Rosingas ir jo kolegos iš Kopenhagos universiteto Danijoje netgi teigė, kad žymiai mažesnis kontinentų plotas kartu su debesų cheminės sudėties skirtumu galėjo sumažinti albedo pakankamai, kad paaiškintų blyškios jaunos Saulės paradoksą netgi visai neįtraukiant aukštesnio šiltnamio dujų lygio.
Visi šie faktoriai – atmosferos sudėtis, sukimasis, albedo, debesų poveikis – galėtų būti paradokso sprendimo raktas. Arba gal atitraukia dėmesį nuo tikrosios priežasties. Mes paprasčiausiai to nežinome. Paties G. Feulnerio pastarasis sudėtingesnio modelio bandymas rodo, kad ankstesni tyrimai nepakankamai įvertino greitesnio sukimosi ir ledo dangos vėsinantį poveikį, dėl to blyškios jaunos Saulės paradoksas tampa dar didesne problema.
Po keleto metų jis tikisi sukviesti komandas, dirbančias su ankstyvosios Žemės klimato simuliacijomis ir palyginti rezultatus. Taip jie pamatys, kurie efektai yra modelio kūrimo teorinių prielaidų rezultatas. Bet koks šiltėjimas, pasireiškiantis visuose modeliuose, nepaisant juose daromų prielaidų, bus labiau tikėtinas problemos sprendimas.
O kai kurie geofizikai įtariai tebežvelgia į Saulę. Ar gali būti, kad astrofizikai neišsiaiškino mūsų žvaigždės veikimo mechanizmo? „Maždaug kas 10 metų kas nors vis iškelia mintį, kad anksčiau Saulė turėjo būti masyvesnė“, – pastebi J. Kastingas. Perteklius turėtų būti buvęs žymus – apie 2,5 procento arba 8250 Žemės masių, – kad Saulė būtų švietusi pakankamai ryškiai. Nors Saulė nuolat švaisto daleles į kosmosą, kurdama Saulės vėją, dabartine sparta vienos Žemės masės praradimas truktų 150 milijonų metų. Tai reiškia, kad Saulės vėjai praeityje turėjo būti stipresni – gerokai stipresni. „Tai turėtų būti nuolatinis masės praradimas, mažiausiai 10 kartų stipresnis, nei stebimas kitose žvaigždėse“, – abejoja D. Mintonas.
Tai dar ne visi astronominiai pasiūlymai. Pats D. Mintonas siūlo ir planetinį biliardą. Šią idėją įkvėpė Jacqueso Laskaro iš Paryžiaus observatorijos darbas. 2009 metais jis pakliuvo į žiniasklaidos akiratį su kompiuterinėmis simuliacijomis, rodžiusiomis, kad Saulės sistemos vidinių planetų orbitos nebūtinai išlieka stabilios per milijardus metų. Pagal vieną itin neraminantį scenarijų, išorinio Saulės sistemos giganto Jupiterio gravitacija gali destabilizuoti Merkurijaus orbitą, išsviesti jį išorėn ir potencialiai sukelti susidūrimą tarp jo, Veneros, Žemės ir Marso per maždaug 3,5 milijardo metų.
Orbitos poslinkis
D. Mintonas mano, kad tai, kas įmanoma ateityje, gali būti tiesa ir kalbant apie praeitį. Jis ištyrė, ko būtų reikėję, kad Žemė būtų susiformavusi arčiau žvaigždės ir dabartinėje orbitoje atsidūrusi vėliau, elegantiškai išspręsdama blyškios jaunos Saulės paradoksą. Dar nepublikuotame darbe jis parodo, kad būtų reikėję visai nedaug: „Tereikia pakeisti Žemės orbitą keliais procentais.“
Tačiau netgi tada tokį orbitos pokytį lengviau pasiekti katastrofa, nei palaipsniui. Mintono įsivaizduota katastrofa buvo dviejų planetų susidūrimas maždaug prieš 2,5 milijardo metų, sukūręs dabartinę Venerą. Dėl to atsiradusio gravitacinės aplinkos pokyčio būtų pakakę Žemės stumtelėjimui tolyn į dabartinę orbitą, užtikrinusiam, kad Saulei kaistant, gyvybė Žemėje neiškeps.
Netgi D. Mintonas pripažįsta, kad ši idėja šiek tiek beprotiška – ir beveik nepatikrinama. Planetos amžių dažnai galima įvertinti pagal kraterių tankumą jos paviršiuje, bet Venera savąjį gerai slepia. Remiantis dabartiniais skaičiavimais, jos amžius gali siekti vos nuo 500 milijonų iki milijardo metų – daug mažiau nei būtų tikėtina, remiantis bet kokiu scenarijumi. Venerai turėjo kažkas nutikti, kas išlygino ankstesnes raukšles. Kol tai išsiaiškinsime, tikrojo planetos amžiaus nustatyti negalime.
J. Kastingas irgi skeptiškai vertina D. Mintono idėją: „Sprendimai turėtų būti paprasti.“ Deja, būtent paprastų sprendimų dabar ir trūksta. Iš tiesų, joks vienas faktorius negali paaiškinti blyškios ankstyvosios Saulės paradokso. Ir tai kelia platesnį klausimą. Jei Žemė buvo apgyvendinta dėl tiksliai susiklosčiusių įvykių kombinacijos, kiek kitų planetų galėjo žengti panašiu neįtikėtinu keliu?
G. Feulneris šio klausimo nesureikšmina, sakydamas, kad, prieš spekuliuojant apie kitus pasaulius, pirma reikia susitvarkyti savo namus: „Kadangi mūsų supratimas apie priešistorinį klimatą toks preliminarus, būčiau laimingas pirmiausia supratęs blyškios jaunos Saulės paradoksą ir tada svarstyčiau pasekmes.“
D. Mintonas laikosi kitokio požiūrio. Jei šis paradoksas turi daug įmanomų sprendimų (netgi jei vos vienas iš jų tinka Žemei), kiti gali tikti kitoms galaktikos planetoms. Daug skirtingų būdų pasiekti tinkamas sąlygas gyvybei gali nustelbti kurio nors vieno būdo neįtikinamumą. „Gali būti tiek sudėtingų faktorių, kad viskas dar tik pradeda aiškėti. Biosferos gali būti daug atsparesnės, nei manome, ir planetų aplinkos, kurias laikome visiškai nedraugingomis, gali pasirodyti puikiausiai tinkamos“, – sako jis.
Kamuojamus vienatvės ir egzistencinio nerimo tokia mintis tikriausiai guodžia. Nors ji vis vien neatsako į klausimą: kodėl mes čia esame?
Anglies kontrolė
Visi duomenys rodo, kad Žemės archėjo eroje, pasibaigusioje prieš 2,5 milijardo metų, buvo daug šilčiau, nei leidžia manyti Saulės ankstyvojo vystymosi modeliai. Tačiau nėra abejonių, kaip ta era baigėsi: mūsų planetą staiga sukaustė jos pirmasis ledynmetis. Vadinamasis Hurono apledėjimas buvo vienas iš ilgiausių ir atšiauriausių ledynmečių Žemės istorijoje – ir jis įvyko tada, kai Saulės temperatūra turėjo siekti žymą, galinčią paversti mūsų planetą jaukiu pasauliu. Kodėl?
Jamesas Kastingas iš Pensilvanijos universiteto Filadelfijoje nurodo galimą priežastį: gyvybė, konkrečiau – pirmųjų fotosintetinančių organizmų išskiriamas deguonis. Jis ardo metaną – dujas, turinčias stiprų šiltnamio poveikį – į anglies dioksidą ir vandenį. „Prieš atsirandant deguoniui, metanas atmosferoje išsilaikydavo 10 tūkst. metų“, – sako jis. Vėliau vidutinė molekulės gyvavimo trukmė tebuvo dešimtmetis ar panašiai. Metanas daug efektyviau sukelia šiltnamio efektą, nei jam skylant susidaręs CO2, tad Žemė atvėso.
Bet kaip tada mūsų planeta vėl ištrūko iš ledynmečio? Atsakymas tikriausiai glūdi tame, kaip atmosferos CO2 tirpsta lietaus vandenyje ir susigeria į dirvą, chemiškai ardydamas egzistuojančias uolienas ir sudarydamas karbonatines uolienas, tektoninių procesų nunešamas gilyn į Žemę. Po daugelio milijonų metų vulkanai perdirba šias uolienas ir išsiverždami grąžina CO2 į atmosferą.
Kai temperatūra nukrenta, kaip Hurono ledynmečio pradžioje, cheminis irimas sulėtėja, kadangi jo cheminiai procesai iš dalies priklauso nuo temperatūros, bet ugnikalniai tebeišskiria anksčiau sukauptą CO2. Tai sukuria stipresnį šiltnamio efektą, pakelia temperatūrą ir pabaigia ledynmetį.
Tokie efektai įtikina J. Kastingą, kad reguliuojantis CO2 poveikis yra blyškios jaunos Saulės paradokso sprendimas: „Anglies dvideginis visada kils iki lygio, apsaugančio Žemę nuo sušalimo.“
