젊을수록 어두운 태양의 역설 (Faint Young Sun Paradox)

태양은 약 50억년 쯤 전에 형성되어 오늘에 이르고 있습니다. 태양의 수명은 100억년으로 추산되므로 앞으로도 50억년을 더 지속할 것으로 추정됩니다. 태양은 현재 주계열성 단계에 있습니다. 주계열성은 별이 태어나 안정적으로 에너지를 생성하는 시기인데, 이후 별 내부의 에너지원인 수소가 고갈되면, 에너지 생성이 불안정해져서 여러 변화를 겪게 됩니다. 하지만, 안정적으로 에너지를 생성하는 주계열성도 사실은 조금씩 크기가 증가하며, 그에 따라 밝기도 증가합니다. 태양 역시 마찬가지여서, 50억년 전에 형성된 이후로 지속적으로 밝아지고 있습니다.

태양 광도 및 지구의 온도 변화 (Kasting & Catling, 2003)

Ts는 현재 대기의 조성을 그대로 유지할 경우 과거의 태양 광도에 따른 지표 온도이며, 

T0는 대기가 없는 경우의 지표 온도이다. 

여기서 한 가지 의문이 생깁니다. 과거에 태양이 젊었을 때(young)에는 태양이 지금보다 어두웠을(faint) 것이며, 대기가 주로 질소로 이루어져 있었던 약 20억년 전까지도 지구의 평균 표면 온도가 영하여야 한다는 것입니다. 그럼에도 불구하고, 38억년 된 퇴적암에서 얻은 증거에 의하면 당시에 이미 바다와 유수가 존재하고 있었습니다.

이것을 과학자들은 선캠브리아 시대의 높은 온실 효과 때문이라고 설명합니다. 선캠브리아 시대의 대기는 온실 기체인 이산화탄소와 메탄을 오늘날보다 훨씬 더 많이 포함하였으며, 그 때문에 태양이 지금보다 어두웠음에도 불구하고, 해양을 유지하고 있었으며, 온화한 기후를 가질 수 있었다는 것입니다.※ 참고: 35억년 전의 고토양(paleosol)과 호상철광(BIF, Banded Iron Formation)을 이용한 연구에 의하면 선캠브리아 시대 초반에는 이산화탄소보다 메테인이 더 주요한 온실 기체였던 것으로 알려져 있습니다.

선캠브리아 시대 대기의 이산화탄소는 이러한 큰 온실 효과에 의해 제거되었습니다. 큰 온실 효과는 행성이 높은 기온을 유지할 수 있게 합니다. 암석의 화학적 풍화는 기온이 높을수록 증가하므로, 선캠브리아 시대의 큰 온실 효과와 높은 기온은 결국 암석의 화학적 풍화를 더욱 빠르게 했던 것입니다. 대륙이 형성된 이후에 지속적으로 일어난 화학적 풍화는 대기 중의 이산화탄소를 제거하는 데 있어서 주요한 역할을 수행해 왔습니다.

참고 문헌

• Earth as an evolving planetary system, K.C. Condie, 2005, Elsevier Academic Press, pp.181-182
• James F. Kasting, Theoretical constraints on oxygen and carbon dioxide concentrations in the Precambrian atmosphere, Precambrian Research, Volume 34, Issues 3-4, 205-229 (Jan 1987)- ScienceDirect
• Kasting, J. F., Faint young Sun redux, Nature 464, 687-689 (2010)
• J.F. Kasting, D. Catling. Evolution of a Habitable Planet, Ann. Rev. Atron. Astrophys. 41: 429-463 (2003)

푸른행성의 과학, http://www.skyobserver.net/

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