Физики оценили приливный разогрев Луной ранней Земли
Ученые теоретически проанализировали приливные взаимодействия между Землей и Луной и установили, что на масштабе в сто миллионов лет после формирования спутника они могли существенно нагревать планету, увеличивая температуру ее поверхности на несколько градусов Цельсия. Этого вклада недостаточно, чтобы устранить парадокс слабого молодого Солнца — конфликт между надежными свидетельствами теплого климата на ранней Земле и сравнительно низким потоком тепла со стороны звезды, однако в совокупности с другими факторами он, вероятно, позволит приблизиться к решению этой проблемы. Препринт работы доступен на arXiv.org, публикации в рецензируемом журнале на данный момент нет.
Парадокс слабого молодого Солнца — противоречие между палеоклиматическими и астрофизическими данными, которое на сегодняшний день не имеет исчерпывающего объяснения. Исследования геологических пород (изучение формы скал, изотопный анализ) указывают на то, что на ранней Земле (около четырех миллиардов лет назад) имел место влажный и теплый климат. Вместе с тем, согласно современным представлениями об эволюции Солнца, последнее излучало в ту эпоху лишь 70 процентов от нынешней мощности — это может означать, что планета была гораздо (на десятки градусов Цельсия) холоднее и вода на ней должна была замерзнуть.
Считается, что основную роль в поддержании теплого климата на ранней Земле играл парниковый эффект: состав газовой оболочки планеты позволял солнечным лучам эффективно поглощаться у поверхности и в нижних слоях атмосферы, но препятствовал обратному излучению энергии. Тем не менее, этот фактор в отдельности не дает полного решения проблемы — в частности, не объясняет нагрев Земли в первые сотни миллионов лет ее существования, поэтому ученым приходится рассматривать альтернативные сценарии передачи дополнительного тепла и механизмы его сохранения.
Физики из Германии под руководством Рене Хеллера (Rene Heller) из Института Макса Планка по исследованию Солнечной системы проанализировали один из возможных механизмов возникновения дополнительного тепла на ранней Земле — приливный разогрев при взаимодействии планеты с Луной. Суть этого явления в том, что относительное движение гравитационно связанных тел может приводить к их переменным деформациям: недра планеты нагреваются от внутреннего трения и передают тепло на поверхность.
Чтобы оценить количество тепла, которое передавалась Земле таким образом, авторы вычислили полную энергию собственного и орбитального вращения гравитационной пары непосредственно после образования Луны и в наши дни. Для этого ученые воспользовались нынешними наблюдениями орбитальных и собственных периодов вращения тел и оценками соответствующих величин в прошлом, полагая оба небесных тела твердыми шарами постоянной плотности. Затем исследователи предположили, что разность в энергии (которая составила около 99 процентов от первоначального количества) посредством приливных взаимодействий высвобождалась в виде тепла по экспоненциальному закону (то есть скорость передачи энергии была пропорциональна оставшемуся ее запасу). После этого ученые выбирали различную характерную длительность для такого процесса и вычисляли прибавку к температуре поверхности Земли, которую он мог обеспечить.
Согласно результатам расчетов, при типичной продолжительности в сто миллионов лет (в наиболее благоприятном сценарии) приливной разогрев мог на протяжении 150 миллионов лет увеличивать температуру поверхности Земли на 1-5 градусов Цельсия. Такого результата недостаточно, чтобы полностью компенсировать недостаток тепла: для существования жидкой воды необходим нагрев поверхности еще примерно на пять градусов Цельсия, однако эта величина гораздо более существенна, чем считалось ранее. Авторы полагают, что в дальнейших работах этот результат в совокупности с другими оценками позволит приблизиться к пониманию ранней истории нашей планеты и, в частности, к разрешению парадокса слабого молодого Солнца.
Ранее мы рассказывали о том, как недостаток тепла на Земле пытались объяснить при помощи выбросов корональной массы и падения на поверхность планеты массивных метеоритов.
Николай Мартыненко
А также измерит расстояние до них
Американские ученые разработали технологию пассивного теплового зрения HADAR, которая по инфракрасному изображению получает информацию о температуре, материалах и текстуре поверхности объектов, их излучательной способности, а также умеет измерять расстояние. Технология позволяет в ночных условиях получать изображение, сопоставимое по качеству со стереоскопическими изображениями, получаемыми обычными RGB камерами при дневном освещении. Статья опубликована в журнале Nature. Для автономной навигации и взаимодействия с людьми роботам и беспилотникам нужна информация об окружении, которую они получают с помощью камер, лидаров, сонаров или радаров. Однако обычные камеры зависят от условий освещенности и плохо работают в ночное время и при плохой погоде. Кроме этого информация, получаемая с камер не содержит физического контекста, что может приводить к некорректной работе нейросетевых алгоритмов автопилота, который, к примеру, не может отличить настоящего человека от манекена. Активные сенсоры, такие как лидары и радары, при резком росте их числа начинают взаимно влиять друг на друга. Выходом могло бы стать использование в условиях недостаточной видимости камер, работающих в инфракрасном диапазоне. Однако из-за так называемого «эффекта призрачности» получаемые тепловизором изображения обычно выглядят как пятна без четкой текстуры. Это связано с тем, что поверх отражающихся от объекта инфракрасных лучей, которые несут информацию об особенностях его рельефа, накладывается его собственное тепловое излучение, которое засвечивает эту полезную информацию. Группа ученых под руководством Зубин Джакоб (Zubin Jacob) из Университета Пердью смогла справиться с этой проблемой. Они разработали технологию под названием HADAR (акроним от слов heat-assisted detection and ranging), которая с помощью машинного обучения извлекает из изображений, полученных в инфракрасном диапазоне, информацию о температуре объектов, излучательной способности материалов, из которых они состоят, а также их физической текстуре. Кроме того, технология позволяет определять расстояние до объектов на изображении. Выделение информации о собственном излучении объектов позволяет избавиться от «эффекта призрачности» и получить информацию о текстуре. Для этого авторы используют данные из библиотеки материалов, которая содержит информацию об их излучательной способности. Инфракрасное изображение фиксируется с помощью гиперспектральной камеры, после чего данные поступают на вход нейросетевой модели, которая производит декомпозицию исходных данных, выделяя из них информацию о температуре, собственном излучении и текстуре. Для обучения алгоритма исследователи использовали как настоящие изображения, полученные с помощью камеры, так и множество сгенерированных трехмерных сцен. Возможности технологии демонстрирует одна из сцен, на которой при слабом освещении запечатлен автомобиль черного цвета и человек, рядом с которым установлен вырезанный из картона портрет Альберта Эйнштейна в натуральную величину. Изображения, полученные с помощью обычной камеры, лидара и HADAR затем использовали для определения объектов с помощью алгоритма распознавания изображений. На изображении, полученном с помощью обычной камеры, алгоритм ошибочно распознал двух людей, приняв картонную фигуру за человека. На данных, полученных лидаром, оказалось невозможно определить автомобиль. При этом HADAR смог выделить все составляющие сцены, а также определить, что одна из человеческих фигур имеет сигнатуру краски на поверхности, а вторая покрыта тканью. Созданная технология может значительно улучшить системы автономной навигации беспилотных транспортных средств и роботов, дополнив уже существующие системы или даже заменив их. HADAR позволяет определять объекты и измерять расстояние по данным, полученным в ночное время, так же хорошо, как это делают традиционные системы компьютерного зрения, которые используют данные с камер в условиях дневного освещения. По словам авторов работы, в дальнейшем им предстоит решить проблему высокой стоимости оборудования для гиперспектральной съемки и невысокой производительности алгоритма. Сейчас процесс получения изображений и их обработки занимает минуты, но для работы в режиме реального времени это время необходимо сократить. Ранее мы рассказывали, как физики создали лидар, способный распознать метровые детали с рекордного расстояния в 45 километров в условиях высокого шума и слабого сигнала.