Faint sun paradox

Allteftersom kvoten H/He i solen minskat genom fusion har solens ljusstyrka ökat, och under solsystemets första årmiljarder var solen upp till 30% ljussvagare. Trots detta blev inte Jorden djupfryst och täckt av en kilometertjock is.

Hur den kalla isplaneten OGLE-2005-BLG-390Lb kan se ut, av Herbert Zodet, © ESO

Tvärtom, de geologiska bevisen visar otvetydligt på förekomsten av liv och vatten i flytande form. Denna synbara paradox påpekades för nästan 40 år sedan av Sagan och Mullen, och den har alltsedan dess gäckat forskarna. Eftersom det idag finns stora mängder CO₂ bundet i yngre sedimentära bergarter (främst i karbonater, huvudsakligen (CaMg)CO3) har en förhöjd växthuseffekt, pga. höga halter av CO₂ i atmosfären, ansetts motverkat den svaga solen. Senare modellstudier har dock visat att höga halter av CO₂ i atmosfären under Arkeikum var svåra att uppehålla genom förlust av CO₂ till manteln genom karbonisering av oceanisk skorpa, vilken sedermera subducerat ner i manteln. Dessutom visar studier av 2,8-2,2 Ga gamla paleosoler för låga CO₂-nivåer för att kompensera den svaga solen. Följaktligen har det föreslagits att även metan, CH_4, bidrog till växthuseffekten. Baserat på geologiska bevis har Lowe och Tice i två review-artiklar (2004, 2007) argumenterat för att den svaga solen under Arkeikum kompenserades av höga halter av CH₄ och CO₂, med stora variationer av pCO₂. Dessa geologiska bevis är:

• temperatur uppskattningar från syreisotoper
• pCO₂ uppskattningar från evaporiter
• uppskattning av den kemiska vittringen

Temperaturen i tidiga Arkeikum

Hur varmt det var under Arkeikum är omdebaterat. En studie av δ¹⁸O i silificerade sediment från det 3,5-3,2 Ga Barbeton grönstensbältet i Sydafrika visar yttemperaturer runt 70°C (Knaut och Lowe, 2003)¹. Höga temperaturer är inte kompatibelt med CH₄ som den dominerande växthusgasen, eftersom metan polymeriserar och bildar en organisk dimma när kvoten CH₄/CO₂~1 . En sådan dimma kan leda till deponeringen sediment med mycket låga andelar ¹³C, vilket ännu inte har hittats, men framför allt skulle en sådan organisk dimma effektivt blockera solljuset och leda till en anti-växthuseffekt liknade den som finns på Saturnus måne Titan. Om temperaturerna under Arkeikum globalt sett var runt 70°C, kräver det en atmosfär där CH₄/CO₂ <<1.

Evaporiter

Bland de silificerade sedimenten i Barbeton grönstensbältet finns även nacholit (NaHCO₃), vars habit och geometri tyder på ett primärt evaporitiskt ursprung. Liknade silificerad nacholit har även hittats i likådriga bergarter i västra Australien. Primär evaporitisk nacholit bildas inte i dagens atmosfärsförhållanden, utan kräver mycket högre pCO₂. Vid temperaturer runt 70°C kräves det en atmosfär med minst 4% CO₂, för att nacholit ska vara stabilt, de verkliga CO₂ nivåerna kan alltså varit mycket högre.

Intensiv kemisk vitting

Landskap med hög topografi där växtligheten försvinner resulterar i snabb erosion av jordmånen, blottandet av berggrunden och bildandet av omogna ”first-cycle” sediment, dvs. bildande av sediment med hög andel av lättvitrade mineral som Fe-Mg silikater och Ca-rik plagioklas. Med ett intakt växttäcke dominerar fluvial transport och deponering av mogna ”first-cycle” sediments, dvs. bildandet av kvartsrika sediment. 3,2 Ga sediment i Barbeton grönstensbältet är en ”first-cycle” synorogen sandstenssekvens dominerad av de mest kemiskt resistenta mineralen (kvarts och K-fältspat), trots att deras källområde, den beggrund där de kom ifrån, domineras av plagioklas och Fe-Mg silkater. Dessutom fanns det troligen inte något skyddande växttäcke. Detta tyder på en intensiv kemisk vittring av berggrunden, främst genom hydrolys och upplösning av berggrunden (oxidering och biologiskt orsakad kemisk vittring var i Arkeikum av troligen av liten betydelse), vilket indikerar på högt pCO₂ (då detta ger mycket CO₂ löst i vattnet vilket underlättar både hydrolysen och upplösningen mineral.

De geologiska bevisen mellan 3,5-3,2 Ga motsäger modellstudien som menar att CO₂ snabbt fördes ner i manteln från den Arkeiska atmosfären. Detta kan förklaras som att; (i) snabb tektonisk återvinning av CO₂ till atmosfären; och (ii) svårigheter att karbonera oceanisk krusta (exempelvis genom för lite oceanisk krusta i kontakt med atmosfären eller kraftigt stratifierade oceaner). Senare i Arkeikum, ca. 2,9-2,7 Ga, förefaller CO₂ halten i atmosfären minskat och klimatet blivigt kyligare. Indikationer på detta är:

• frånvaro av nacholit i bergarter yngre än 3,2 Ga
• Paleosoldata som indikerar på CO₂ nivåer i atmosfären mellan ca. 0,1-1 %.
• Indikationer på nedising vid 2,9 Ga.
• 2,8-2,7 Ga sediment med δ¹³C mellan -40‰ och -60‰ (mycket rika på ¹²C), vilket kan förklaras med CH₄/CO₂ ~ 1 (eller med bakterier som livnärt sig på CH₄).

Baserat på dessa data från Arkeikum framlägger Lowe och Tice ett elegant men spekulativt scenario hur atmosfären och klimatet varierat mellan 3,5-2,4 Ga. Innan ca. 3,2 Ga var Jorden en het värld med temperaturer runt 70°C, vilket kan förklaras via en förhöjd växthuseffekt dominerad av CO₂ med visst bidrag från CH₄ (CH₄/CO₂ << 1). Koldioxid nivåer i atmosfären uppehölls genom en snabb tektonisk återvinning av CO₂ och lite tillgänglig subarriel krusta som via vittring drog ut CO₂ ur atmosfären. Kring 3,2-3,0 Ga bildades de första större kontinentala blocken, som Kaapval och Pilbara kratonerna, vilka genom kemisk vittring transporterade CO₂ ner i haven och slutligen till manteln. Allteftersom kontinenterna vittrade minskade CO₂ i atmosfären till mindre än 0,1%, vilket reflekteras i 2,9-2,7 Ga paleosoler. Minskningen av CO₂ orsakade i sin tur att CH₄/CO₂ närmade sin 1, med bildandet av av en organisk dimma som kylde ner Jorden med lokala eller globala glaciationer som följd. Med tiden kom den organiska dimman att deponeras i sedimenten och ge upphov till sekvenser med mycket låga δ¹³C värden. I takt med att kontinenterna eroderades ned och täcktes av sediment, samt att temperaturen sjönk minskade den kemiska vittringen och CO₂ nivåerna steg i atmosfären, via vulkanism och metamorfa processer, och den organiska dimman lättade (CH₄/CO₂ << 1). Dock kom inte temperaturen att nå lika nivå pga. en netto förlust av CO2 till manteln. En ny puls av kontinentaltillväxt kan ha föranlett sjunkande CO2 nivåer vid 2,4-2,2 Ga och en omfattande glaciation av Jorden (den första snowball/slushball earth). Avsaknaden av mycket låga δ¹³C värden tyder på att CH4/CO2 << 1. En simultan minskning av CH4 efter 2,7 Ma kan förklaras av en ökning av O₂ som oxiderade CH₄, vilket i sin tur förstärkte den sjunkande temperaturen. Vad kan ha föranlett en ökning av syre i atmosfären runt denna tid? Tänkbara förklaringar är:

• Temperaturen. Få av dagens fotosyntetiserande bakterier klarar av temperaturer över 60°C, bara en av de moderna cyanobakterierna, Synechococcus, hittas vid varma källor med temperatuer mellan 60-73°C. Noterbart är att stora, tre-dimensionella stromatoliter (e.g. cyanobakterier) ännu inte har hittats i bergarter äldre än 3,2 Ga. De äldsta, stora stromatoliterna, morfologiskt jämförbara med dagens stromatoliter, finns i bergarter runt 3,0 Ga.

Recenta Stromatoliter i Shark Bay, Autralien

• Uppkomsten av kontinenter. Andelen grunda hav ökar när andelen kontinenter ökar samt att dessa via erosion förser haven med nödvändiga näringsämnen.

Det är ett facinerande samspel mellan tekonik-atmosfär-liv som Lowe och Tice målar upp under Akeikum. En återkommande cykel där uppkomsten och vittringen av större kontinentala block reglerat mängden CO₂ i atmosfären vilket i sin tur reglerat Jordens temperatur och därmed ändrat en grundförutsättning för fotosyntetiserande bakterier. En sådant samspel där tektoniken spelar en avgörande roll för både atmosfärens och livets utveckling är intressant ur en planetär synvinkel, eftersom våra närmaste terrestriska grannar Venus och Mars förefaller helt sakna plattektonik. Om de tektoniska processerna av någon anleding aldrig startade eller slutade i förtid kan alltså själva grundförutsättningen, för att hitta mer utvecklade livsformer än bakterier, saknas på Venus och Mars.

Så är svaret på "the faint sun paradox" enbart en CO₂-CH₄ rik atmosfär? Kanske, men en ny studie av Rosin m.fl (2010) av bandade järnmalmer, vilka innehåller järnrika mineral som magnetit (Fe₃O₄) och siderit (FeCO₃), visar att den Arkeiska atmosfären innehöll inte mer än ca. 900 ppm CO₂, vilket är jämförbart för CO₂ uppskattningar från 2,7-2,2 Ga paleosoldata². En tänkbar föklaring, enligt Rosin m.fl är att Jordens albedo under Arkeikum var lägre, vilket kompenserade den svaga solen. Den låga reflektiviteten kan orskakats av högre kvot hav/kontineter samt mindre andel dimetylsulfid i atmosfären som agerar som molnkondensationskärnor. Mindre andel dimetylsulfid är ett rimligt antagande då den biologiska aktiviteten var mycket mindre under Arkeikum. Det mest problematiska med bara ca. 900 ppm. CO₂ under Arkeikum, förutom det faktum att Jorden har stora mängder CO₂ bundet i yngre sediment vilket rimligtvis fanns i atmosfären under Arkeikum, är att CH₄/CO₂ kvoten i Rosins studie är närmare 1, vilket torde skapat en anti-växthuseffekt som kylt ner Jorden. Det intressanta med Rosin m.fl. studie är att de belyser Jordens albedo som en viktig faktor till ”faint sun paradox”, till skillnad från tidigare studier som fokuserat på atmosfärens sammansättning av växthusgaser (NH₃, CO₂, CH₄). Vad som är mest korrekt får framtiden visa, kanske var det en kombination av höga nivåer av växthusgaser, och Jordens albedo, där de nuvarande studierna kan ses som min. respektive max. värden på CO₂.

1) Detta under antagandet att syreisotop sammansättningen under Arkeikum i haven var den samma som i dag, vilket inte nödvändigtvis är korrekt.

2) Dock, en tidigare studie av samma sediment har indikerar en CO₂ rik atmosfär, >100 gånger mer än dagens CO₂ nivåer. Orsaken till denna diskrepans är att de använd sig av olika Fe mineral. Ohmoto m.fl (2004) baserar sin CO₂ uppskattning på samexistensen av siderit och Fe³⁺ hydroxider, vilka samexisterar vid mycket högt pCO₂ och lågt pH₂. Rosin påpekar att detta inte är kompatibelt vare sig med den utbredda förekomsten av magnetit i dessa kemiska sediment eller förekomsten av hydrogenotrofa metanogener vilka kräver högre pH₂ för sin metabolism. Vilken tolkning som är korrekt kommer vidare studier av dessa bandade järnmalmer förhoppningsvis att avslöja.