Несмотря на первые ростки жизни, древняя Земля была не самым приятным местом. Поверхность планеты регулярно побивалась космическими камнями, атмосфера не содержала кислорода и, следовательно, не имела озона для защиты поверхности от воздействия УФ-излучения. Кроме того, молодое Солнце производило на 25% меньше энергии, чем сегодня, в результате чего средняя температура на Земле близ поверхности должна была находиться ниже точки замерзания воды.

Но она там не находилась. Геологические данные свидетельствует о существовании жидких океанов вскоре после образования планеты, и первые полтора миллиарда лет истории Земли не оставили нам следов оледенения. Эту головоломку — парадокс слабого молодого Солнца — первыми в 1972 году описали Карл Саган и Джордж Маллен.

Юная солнцеподобная звезда 1RXS J160929.1-210524 и её планета (изображение Gemini Observatory, D. Lafreniere, R. Jayawardhana, M. van Kerkwijk / Univ. Toronto).

С тех пор предложено множество гипотез. Одни считают, что Земля обладала меньшей отражательной способностью из-за недостатка континентов и сниженного облачного покрова, в результате чего поглощала больше солнечного света. Другие ставят на парниковые газы. Много усилий потрачено на вычисление объёмов CO2, метана и более экзотических соединений вроде карбонилсульфида (OCS) в древней атмосфере, которая, к слову, была тогда, скорее всего, плотнее, что повышало эффективность парниковых газов.

Комбинации этих факторов достаточно, чтобы решить парадокс, но невыясненными остаётся множество деталей. Робин Вордсворт и Раймон Пьерюмбер из Чикагского университета (США) предлагают связать ещё один кусочек головоломки со взаимодействием в атмосфере водорода и азота.

Ни тот (H2) ни другой (N2) по отдельности не является парниковым газом, то есть не поглощает инфракрасное излучение, испускаемое планетой (этот факт определяется их молекулярной структурой). Однако при их столкновении происходят странные вещи. На какое-то мгновение они начинают вести себя как одна большая молекула парникового газа. Этот процесс, кстати, играет важную роль в энергетическом балансе спутника Сатурна Титана.

До недавнего времени считалось, что в ранней земной атмосфере было очень мало водорода, ведь ему ничего не стоит улететь в космос благодаря своей малой массе. Но сейчас доказано, что скорость потери этого элемента переоценивалась и в древности он присутствовал в значительном количестве.

Авторы нового исследования вычислили, что вышеуказанные столкновения могли нагреть Землю на целых 10−15 ˚C. Если это действительно так, то даже умеренного влияния других факторов было бы более чем достаточно, чтобы планета не замерзала. (Впрочем, одна из недавних работ показала, что юное Солнце давало ещё меньше тепла, поэтому другие факторы могли понадобиться в полном объёме.)

Очевидно, что поглощение инфракрасного излучения таким способом играло важную роль лишь до тех пор, пока атмосфера была насыщена водородом. Всё изменилось, как только на сцену вышли бактерии, которые перерабатывают углекислый газ и водород в метан и воду. Метан поглощает инфракрасное излучение лишь на определённой длине волны, и поэтому по достижении определённой концентрации вклад дополнительного метана в парниковый эффект становится незначительным. Метаногены, вероятно, очень быстро достигли этой точки, после чего потребление углекислого газа и водорода стало давать в остатке охлаждающий эффект. Кроме того, высокая концентрация метана должна была привести к образованию дымки, отражавшей солнечный свет.

Поэтому исследователи предполагают, что обширное оледенение, случившееся около 2,9 млрд лет назад, могло быть обусловлено, как ни странно, биологическим производством метана. Здесь остаётся много неизвестных, так что простор для исследований ещё есть.

В комментарии к статье с результатами исследования Джеймс Кастинг из Университета штата Пенсильвания (США) отмечает, что выводы коллег имеют внеземное значение. Если H2 и впрямь способен нагреть планету земного типа, становится возможным существование жизни на аналогичных молодых планетах (в том числе на древнем Марсе), расположенных в десять раз дальше от солнцеподобной звезды, чем Земля.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Подготовлено по материалам Ars Technica.