Наука для всех простыми словами

Самый лучший сайт c познавательной информацией.

Ли биллингс "5 000 000 000 лет одиночества".

16.08.2016 в 12:28

Существуют ли в нашей галактике или за ее пределами планеты, похожие на землю? Являются ли природные условия на земле типичными для планет земной группы или мы живем в уникальном мире? Мы одиноки ли во вселенной? Именно эти вопросы подтолкнули ли биллингса к идее написать эту книгу.


Почти пять миллиардов лет наша живая планета была одинокой в огромной вселенной. Но вскоре изоляция земли может прийти к концу. За последние два десятилетия астрономы обнаружили тысячи планет, вращающихся вокруг других звезд. Некоторые из этих экзопланет могут оказаться зеркальным отражением нашего мира.

Темпы открытий планет растут, но главная тайна вселенной по-прежнему остается неразгаданной: земля - уникальная планета во вселенной или же мы ищем жизнь в неправильных местах?

Часть главы 7. нарушенное равновесие.

За каждым сенсационным сообщением об обнаружении очередной планеты за пределами солнечной системы, на которой возможна жизнь, обычно стоит долгая и кропотливая исследовательская работа. Сначала астрономы определяют массу обнаруженной планеты, затем, если возможно, радиус. После чего на основании массы и радиуса делается оценка плотности планеты, и только потом следует вывод, насколько открытая планета похожа на землю. Допустим, плотность оказалась близкой к плотности земли, но этого еще недостаточно, чтобы понять, пригодна ли планета для жизни. Следует определить среднее расстояние планеты от звезды, а также светимость и спектральный класс звезды. Вооружившись этими данными, ученые моделируют природные условия на планете и только после этого делают вывод, что с некоторой долей вероятности можно говорить о том, что на открытой планете может существовать жизнь. Наиболее часто в обоснование вывода приводится ссылка на статью кастинга "Зоны Жизни у Звезд Главной Последовательности", опубликованной в журнале Icarus в 1993 году. В этой статье кастинг и двое его коллег - Дэн уитмайр и Рэй Рейнольдс, - используя климатическую модель, разработанную кастингом, вычислили параметры орбиты землеподобной планеты, необходимые для того, чтобы на поверхности планеты могла существовать жидкая вода. На более близких расстояниях к звезде, чем зона жизни, поверхность планеты слишком горяча, и вода на планете будет существовать лишь в виде пара, заполняя атмосферу и постепенно улетучиваясь в космическое пространство, как это произошло на Венере. На более далеких расстояниях от звезды вода на планете существует преимущественно в виде льда, что мы наблюдаем на марсе. Но если свежеоткрытая планета оказывается в пределах зоны жизни, ее первооткрыватели тут же связываются с пресс-службой финансирующей их организации и их имена немедленно появляются в вечерних новостях и в New York Times. В 2013 году кастинг выступил соавтором новой статьи, в которой были представлены более точные расчеты, но они лишь незначительно изменили первоначальные выводы двадцатилетней давности.

Используя столь скудный набор данных при определении размеров зоны жизни для экзопланет, мы неизбежно наталкиваемся на трудности, связанные с необходимостью делать те или иные предположения, восполняющие недостаточность наших знаний. Это оказывается возможным лишь потому, что мы уверены, что законы природы одинаковы во всей наблюдаемой вселенной, как для солнечной системы, так и для далеких звезд. Где бы во вселенной свет, излучаемый звездой, ни падал на поверхность планеты, он приносит определенное количество лучистой энергии, которое зависит от состава атмосферы планеты и от длины волны падающего излучения, грубо говоря, от его цвета. В своих, ставших уже каноническими, расчетах 1993 года кастинг и его коллеги использовали общую базовую модель атмосферы землеподобной планеты, какой она должна была быть по их представлениям сразу же по завершении формирования. Такая атмосфера, по мнению ученых, должна состоять в основном из азота с небольшими примесями углекислого газа и водяного пара. Геологические данные свидетельствуют о том, что именно такой состав имела атмосфера земли в катархейскую эру, однако относительно атмосфер далеких экзопланет мы можем только строить предположения, до тех пор пока не получим данные об их составе из непосредственных наблюдений.

Прежде чем выбрать один конкретный атмосферный коктейль, кастинг испробовал множество различных "Рецептов", большую часть которых он рассчитал в течение тех семи лет, когда работал в Nasa. Все это время кастинг постоянно совершенствовал свои модели, просчитывая вручную каждый из вариантов взаимодействия излучения с атмосферой и поверхностью. В реальном мире и в моделях кастинга фотон с определенной длиной волны может рассеяться или поглотиться верхними слоями атмосферы, в то время как фотон с другой длиной волны беспрепятственно достигнет поверхности планеты. Пройдя б? Льшую часть пути в атмосфере - как в реальной, так и в виртуальной, - фотон может рассеяться облаком или отразиться от поверхности льда или же может быть поглощен парниковым газом или морскими глубинами. Таким образом, если фотон имеет достаточно большую энергию, скажем, относится к ультрафиолетовой или еще более коротковолновой части спектра, то на пути через атмосферу или достигнув поверхности он способен разбить на части какую-нибудь молекулу. Такой процесс фотолизом называется. Продукты фотолиза, в свою очередь, способны вызывать вторичные эффекты, например поглощать или рассеивать фотоны с другой длиной волны, изменяя таким образом спектр пропускания атмосферы. За годы работы кастинг накопил огромный фактический и теоретический материал, из которого можно было бы составить целые тома таблиц рассеяния и поглощения электромагнитного излучения, скоростей фотохимических реакций, времени жизни в атмосфере различных газов, выбрасываемых вулканами или источаемыми горными породами. В совокупности все эти факторы очень сложным образом влияют на состав атмосферы и среднюю температуру планеты, определяя климат.

В том случае, если просто рассчитать среднюю температуру земной поверхности, исходя из величины падающего на нее потока солнечного излучения и ее отражающей способности, которую астрономы называют альбедо, мы получим - 18 C, что существенно ниже точки замерзания воды. Но если рассчитать среднюю температуру, используя климатическую модель кастинга, результатом будет 15 C - именно такую среднюю температуру имеет поверхность земли в настоящее время. Все дело в том, что климатическая модель кастинга учитывает влияние на температуру различных парниковых газов, на изучение которых он потратил массу времени. Из всех парниковых газов с наибольшим вниманием следует относиться к водяному пару, потому что в реальности его влияние гораздо сильнее, чем эффект CO2. Водяной пар эффективно поглощает электромагнитное излучение в гораздо более широкой полосе инфракрасной части спектра, чем углекислый газ. Кроме того, его влияние на климат качественно отличается от влияния CO2. Только в том случае, если последний остается в газообразном состоянии во всем диапазоне природных условий на земле, то количество водяного пара в атмосфере сильно зависит от температуры. При понижении температуры водяной пар в воздухе конденсируется в капли воды и образует облака, проливающиеся на землю дождем или выпадающие в виде снега или града, что приводит к уменьшению создаваемого водяным паром парникового эффекта. При повышении температуры возрастает интенсивность испарения воды с поверхности земли и океанов, что приводит к повышению концентрации водяного пара в атмосфере, усилению парникового эффекта и еще большему повышению температуры. Водяной пар, таким образом, обеспечивает положительную обратную связь, усиливая текущую тенденцию изменения климата. Таким образом, если CO2 является, выражаясь метафорически, точкой опоры, то водяной пар служит рычагом в механизме изменения климата. Ключевым результатом одной из кастинговских климатических моделей является так называемый термобарический профиль атмосферы - изменение температуры и давления с высотой как функция состава атмосферы, отражательных свойств поверхности и потока падающего на планету излучения звезды. Земная атмосфера, например, отражает до четверти падающего солнечного света и еще четверть поглощает. В результате поверхности нашей планеты достигает только половина падающего на землю солнечного излучения. Это приводит к тому, что атмосфера оказывается в среднем холоднее, чем поверхность, и прогревается в основном за счет конвекции, как кастрюля с водой на плите. Сильнее всего поверхность земли нагревается в районе экватора, где солнечный свет падает на нее почти отвесно. Влажные конвективные ячейки, образующиеся у поверхности, поднимаются вверх, расширяясь и охлаждаясь, пока содержащийся в них водяной пар не начнет конденсироваться в капельки воды, образуя облака, которые в конечном итоге проливаются на землю дождем. Атмосферная конвекция позволяет объяснить, почему в тропиках жарче, чем на полюсах, почему воздух, окружающий горные вершины, холодный, несмотря на то, что сами горы нагреваются солнцем сильнее, чем низменности (слой атмосферы над горами тоньше и воздух суше, чем над равнинами, соответственно, поглощение падающего солнечного света атмосферой меньше), и почему грозы чаще всего происходят жарким днем спустя несколько часов после полудня.

График термобарического профиля атмосферы земли образует небольшое плато, называемое тропопаузой. Тропопауза - это разделительная полоса между теплой, богатой погодными явлениями тропосферой и холодной разреженной стратосферой. Поскольку водяной пар конденсируется при понижении температуры, он оказывается как бы в ловушке под тропопаузой. Пар не может подняться выше, потому что из-за охлаждения он конденсируется в воду и выпадает обратно на поверхность. Этот эффект, получивший название холодной ловушки, чрезвычайно важен для нашей планеты, поскольку он ответствен за удержание воды на земле. Роль холодной ловушки в гидробалансе земли стала понятна только в 1980-х годах после ряда работ кастинга, его коллеги Джеймса поллака и еще нескольких ученых из Nasa. Они заинтересовались, почему Венера, во всех отношениях являющаяся двойником нашей планеты, имеет настолько резко отличающийся от земного климат, несмотря на имеющиеся доказательства того, что на самом раннем этапе своей истории сестра земли была гостеприимно прохладной и влажной, очень похожей на наш собственный мир.

"Для людей вроде меня самым интересным в отношении Венеры является то, что она находится ближе к солнцу, чем внутренняя граница зоны жизни, - рассказывал кастинг во время нашего общения в его кабинете. - исходя из этого вы, не проводя сложных расчетов, можете предсказать климатические условия для других планет за пределами солнечной системы - вам не нужно строить сложные модели, чтобы догадаться, что планета, расположенная к своей звезде так же близко, как Венера к солнцу, скорее всего, окажется непригодной для жизни. То есть, если вы хотите узнать, каковы природные условия на экзопланете, находящейся слишком близко к звезде, просто посмотрите на Венеру".

Опираясь на предыдущие работы других планетологов, в первую очередь, на работы Эндрю ингерсолла из калтеха, кастинг смоделировал, как будет реагировать термобарический профиль атмосферы земли на повышение интенсивности солнечной радиации, например, если земля переместится на более близкую к солнцу орбиту или если солнце увеличит свою светимость. Он обнаружил, что увеличение интенсивности солнечного излучения всего на 10%, эквивалентное уменьшению большой полуоси земной орбиты до 0, 95 астрономической единицы, то есть перемещению планеты всего на 5% ближе к солнцу, приведет к дополнительному нагреву тропосферы и ее насыщению парами воды, что, в свою очередь, поднимет высоту тропопаузы до 150 километров.

К чему приведет увеличение высоты тропопаузы? Водяной пар сможет подниматься до высоты 150 километров, что превышает высоту озонового слоя, а значит, на этой высоте водяной пар подвергнется действию интенсивного ультрафиолетового излучения, которое будет разбивать молекулы воды на кислород и водород. Будучи очень легким, водород значительно быстрее, чем прочие газы, улетучивается в космическое пространство, откуда он уже никогда не вернется на землю, чтобы соединиться с кислородом и вновь образовать воду. Таким образом, за время порядка сотен миллионов лет земные океаны попросту выкипят, превратив планету в сухую безжизненную пустыню. Примерно через миллиард лет, задолго до того, как наше солнце раздуется в красный гигант и физически уничтожит наш мир, его светимость увеличится на те самые критические 10%, и земля начнет очень быстро терять воду, а вместе с ней и жизнь. Этот механизм, получивший название механизма влажной стратосферы, как сегодня считается, и стал причиной того, что Венера потеряла свои океаны в самом начале истории солнечной системы, а критическое значение в 0, 95 астрономической единицы ставит нашу собственную планету на самый край зоны жизни.

Как только Венера утратила свои океаны, повышение температуры поверхности привело к выделению углекислого газа из коры планеты, который начал заполнять атмосферу. В результате сегодняшняя атмосфера Венеры примерно в 90 раз плотнее, чем атмосфера земли, и состоит почти из чистого углекислого газа, создающего столь мощный парниковый эффект, что температура на поверхности планеты достаточна, чтобы расплавить свинец. В ходе дальнейших исследований кастинг и его коллеги изучили влияние содержания CO2 в атмосфере земли на ее температуру и пришли к выводу, что даже без увеличения светимости солнца одно только повышение концентрации CO2 способно привести к потере океанов через механизм влажной стратосферы.

Но затем кастинг к своему удивлению обнаружил, что даже значительное повышение уровня CO2, приводящее к резкому повышению температуры и выделению в атмосферу огромного количества водяного пара, не ведет за собой выкипания океанов, поскольку водяной пар оказывается запертым в тропосфере как в скороварке, сохраняя стратосферу земли относительно сухой. Для запуска механизма влажной стратосферы содержание CO2 в атмосфере земли должно стать более чем в двадцать пять раз выше нынешнего - это гораздо больше, чем может быть освобождено путем сжигания всех известных нам запасов ископаемого топлива на планете. Но не будет ли достигнута такая концентрация, если мы сожжем в дополнение к обычным и все нетрадиционные источники углерода и углеводородов, такие как марцелловское месторождение сланцевого газа? К счастью, нет. В то время как человечество легко может ввергнуть планету в новую геологическую эпоху, которая приведет к вымиранию как человека, так и большинства современных видов, расчеты кастинга показывают, что запуск механизма влажной стратосферы путем сжигания ископаемого топлива лежит за пределами возможностей современной технической цивилизации.

Однако в моделях кастинга присутствует существенная неопределенность, из-за которой мы не можем полностью отрицать возможность техногенного запуска механизма влажной стратосферы. Помимо CO2 в атмосфере присутствуют и другие парниковые газы. Роль водяного пара в формировании климата земли до сих пор точно не оценена, и он может вносить существенно больший вклад, чем это заложено в модели кастинга. К тому же никто точно не знает количества ископаемого топлива, запертого внутри земли, и сколько еще углерода мы сожжем в будущем, если энергопотребление человечества будет расти нынешними темпами. А самое главное, никто до конца не понимает, насколько сильно изменения температуры и давления влияют на поглощение парами воды инфракрасного излучения земной поверхности. Нигде этот вопрос не встает с большей очевидностью, чем при рассмотрении проблемы облаков.