Наука для всех простыми словами

Самый лучший сайт c познавательной информацией.

Сверхобитаемые миры. Канадец Рене Эллер (Ren?

14.09.2015 в 11:53

Heller и американцец Джон Армстронг (John Armstrong) задались целью основательно критически перетрясти не отдельные концепции сегодняшней науки о потенциальной обитаемости экзопланет, а скорее сам подход, явленный в этой области знания. Учёные разработали такой язык, - пишут они, - который отрицает возможность существования миров, предлагающих лучшие условия для жизни, чем на земле"

. С одной стороны, они вроде бы ошибаются, ибо в последнее время в целом ряде работ проскальзывали упоминания о местах, где те или иные параметры обитаемости лучше наших, земных. А с другой - они, конечно же, правы.

Несравненная земля - венец творения, или мы просто ещё не сравнивали?

Обычно, говоря о том, какой должна быть обитаемая экзопланета, её сравнивают с нашим домом: "Близнец Земли", "двойник" и т. д., и т. п. - и это не выдумки, а полноценные термины, изначально введённые в оборот сайтом препринтов arX, не побоимся этого слова, геоцентризм? Часто можно услышать: мы знаем одну обитаемую планету, поэтому, по принципу среднего, должны полагать, что если нам попался случайный объект из набора, то его характеристики будут ближе к средним для набора, чем к крайним. Следовательно, "Самые - Самые" обитаемые должны иметь массу, солнечную постоянную и атмосферу, один в один совпадающие с земными. А все остальные будут, так сказать, эрзац - обитаемыми.

Увы, принцип среднего не работает, замечают наши герои. Для начала мы должны быть уверены, что земля именно из этого набора - то есть из племени обитаемых планет, за пределами которого обитаемости нет. Попросту говоря, в предложении "Нет Бога, Кроме Бога" вывод о правоте монотеизма следует только после второй его половины.
По материалам:

То есть логика принципа среднего работает, если все обитаемые планеты представлены теми, что получают основную часть своего тепла от звезды, имеют обширную гидросферу, атмосферу умеренной плотности и прочее, и прочее. Учёные показывают, что в действительности множество миров могут быть обитаемыми, если они получают значительную часть тепла, не дающего воде на их поверхности замёрзнуть, от приливного взаимодействия с другими небесными телами. Это не только пресловутые экзолуны у планет - гигантов далёких систем, которые в рассматриваемой работе называют "Суперевропами". Речь идёт и о более экзотических сценариях: так, подчёркивается, что если бы тейя, ударив по землелуне порядка 4, 5 млрд лет назад, распределила бы массы обоих получившихся тел равномернее (сильнее "Ободрав" землю), то две итоговые планеты могли бы сильно разогреваться друг о друга, и такие конфигурации двойных планет в принципе не исключены.

Не обязательна для планеты и обширная гидросфера или даже наличие континентов, которые иные полагают непременным условием углеродного цикла и жизни. Так, напоминают Эллер и Армстронг, давно показана возможность существования "Дюн" - сухих землеподобных планет, на которых ничтожное количество влаги в атмосфере делает невозможным безудержный парниковый эффект и полную потерю воды, необходимой для жизни. Более того, замечают учёные, континенты часто имеют внутренние области, не очень подходящие для процветания жизни (что легко заметить и на земле), ибо колебания климата там не умеряются близостью моря. Таким образом, архипелаги, острова и континентальный шельф куда важнее для биоразнообразия.

Более того, планета а-ля земля вполне может находиться в зоне обитаемости и тем не менее не быть обитаемой. Классический пример - марс: на его орбите довольно солнечного света для жизни, будь на его месте земля. Да что земля - авторы говорят, что если в молодой солнечной системе поменять Венеру и марс местами, то четвёртая планета вполне могла бы быть обитаемой благодаря своей значительной гравитации и атмосфере.

Выборка, основанная лишь на земле, из-за всех этих альтернатив очень груба и вводит в заблуждение, утверждают учёные. Что не менее важно, она не случайна - а значит, применить к ней принцип среднего вообще нельзя. Будь астробиологи двоякодышащими рыбами аммиачного океана с планеты X, которые случайно выбрали одну землеподобную планету для исследования, они могли бы сказать: вот один образец, который, скорее всего, ближе к средним параметрам. Однако мы оказались на земле до того, как задались вопросом обитаемости экзопланет - а следовательно, для нас принцип среднего неработоспособен, так как у нас случайной выборки нет вовсе.

В общем, говорят Эллер и Армстронг, если это так, то земля вполне может оказаться планетой, в части обитаемости далёкой как от идеальных показателей, так и от средних. На этой основе они предполагают существование так называемых сверхобитаемых миров - мест, где жизнь цветёт буйнее, а пахнет сильнее, чем у нас. Они ищут - и, что характерно, находят - краткий список моментов, которые могут обусловить такую ситуацию.

Где трава зеленее, чем у нас, или размер имеет значение.

Что это? Факторов, улучшающих обитаемость выше земных стандартов, может быть довольно много. В частности, поверхность экзопланеты, где существует жидкая вода, может быть физически больше, чем на нашей планете. Как ни смешно, судя по специфике биоценозов изолированных островов и той же Австралии, протяжённая обитаемая территория способна здорово ускорить развитие жизни и способствовать появлению значительного количества видов, а также придать больше устойчивости экосистеме в целом. Такой планетой может быть как тело размером с землю, но без сильного наклона оси вращения, так и экзопланета с более плотной атмосферой или находящаяся в системе оранжевого (или красного) карлика, где значительная часть излучения приходится на инфракрасную часть спектра, то есть льды и снег его не отражают, в силу чего покрытые ими регионы не выхолаживаются до приполярного состояния, как на земле, а, напротив, существуют в умеренном климате.

Конечно, если планета просто будет больше нашей, это тоже поднимет её формальную обитаемость, но, как замечают учёные, лишь до определённого предела: более пяти земных масс - и она может быть слишком тяжёлой для продолжения тектонической активности (хотя это и спорный вопрос) или даже настолько массивной, что не успеет лишиться водорода, присутствовавшего в её атмосфере в ранний период истории. Тогда планета будет перегреваться и, по всей видимости, станет малообитаемой.

Итак, лучшим размером для сверхобитаемого мира Эллер и Армстронг считают "Слегка Больше Земли". Кстати, добавляют они, в случае солнечной системы самой обитаемой планетой очевидно является самая массивная изо всех землеподобных, и это ещё один аргумент в пользу сверхобитаемости многих "Суперземель".

И миры - архипелаги, и пустынные планеты лучше пангеи.

Другим фактором процветания жизни может быть рельеф. Планеты, покрытые в основном архипелагами и неглубоким шельфом, должны быть обитаемее земли: биопродуктивность шельфа много больше открытого моря с океанскими глубинами. Острова же почти не знают пустынь и обычно характеризуются умеренным климатом без резких колебаний температур - тем, чего так не хватает расположенным в центре континентов сахаре, Гоби, пустыням Австралии и аризоны.

Как ни странно, но более обитаемыми могут быть и планеты, где водой покрыта не слишком большая часть поверхности (вплоть до "Дюн"), но при этом резервуары с ней расположены равномерно по всей поверхности. В этом случае они не только умеряют колебания климата, но и предупреждают безудержный парниковый эффект на внутренней границе так называемой зоны обитаемости. Вместе с тем на её внешней границе планеты будут не очень склонны к переходу в состояние земли-"снежка", поскольку не смогут покрыться общим ледовым покровом и тем самым резко повысить альбедо и снизить поток поглощаемого тепла.

Вес тектонике не помеха?

Тектоника плит может быть другим неожиданным фактором "Сверхобитаемости". Хотя многие учёные и считают, что слишком тяжёлые "Суперземли" будут иметь массу и вязкость мантии, необходимые для прекращения тектоники плит, некоторые свежие исследования указывают: поскольку в конечном счёте тектоника плит вызвана разностью температур между центром планеты и её поверхностью, по мере роста массы разность эта будет расти, и "склонность к тектонике плит" испытывает пик при массе планеты в 1-5 земных. Итог: до двух масс земли экзопланеты будут сверхобитаемы в сравнении с нами из-за более активной тектоники плит, которая через углеродный цикл сможет быстрее стабилизировать климат, не давая разыграться массовым вымираниям (из-за резких изменений климата.

Магнитосфера и её последствия.

Магнитное поле, по мнению авторов работы, тоже может быть признаком суперобитамости. В случае если планета будет легче 0, 07 земной массы, поток заряженных частиц от её звезды со временем может унести молекулы воды, а затем и кислорода с азотом, оставив один углекислый газ (сценарий марса. Эллер и Армстронг полагают, что, кроме маломассивных планет, сверхобитаемыми не могут быть и экзолуны, а также планеты, подвергнувшиеся приливному захвату (то есть вращающиеся вокруг красных карликов. Следовательно, магнитное поле там будет слабее, и, кажется, на этом основании авторы исключают тела у красных карликов из списка склонных к сверхобитаемости. Впрочем, по поводу магнитного поля и приливного захвата есть и принципиально иные точки зрения.

Углеродный цикл может быть и на океанидах.

Климатический "Термостат" "суперземель" - вот ещё один потенциальный фактор сверхобитаемости последних. Напомним: доминирующая до недавнего времени модель "суперземель"-океанид показывает, что они покрыты 100-километровым (и более) по глубине океаном, на дне которого лежит экзотический лёд - горячая субстанция находящегося тем не менее в твёрдом состоянии из-за огромного давления сверхглубокого океана. В таких местах углеродный цикл земного типа не действует, так как углекислый газ не будет связываться силикатами планетарной коры, поскольку между ней и атмосферой находится слой вечного льда.

Грусть - тоска? Вряд ли, считают исследователи. Дело в том, что при определённой насыщенности первоначальным углекислым газом начнёт происходить нечто, что на земле имеет место с метаном (метангидраты: углекислый газ и вода образуют клатраты, соединения, в которых углекислый газ будет удерживаться на морском дне при его избытке в океане и из которых он может высвободиться при его недостатке. Более того, уже при контакте углекислого газа, поднимающегося с вулканической активностью с экзотическим льдом на стокилометровых глубинах, образующиеся при больших давлениях клатраты вполне могут успешно сформироваться и затем постепенно мигрировать по толще льда вверх, по сути, обеспечивая тот самый углеродный цикл, что на океанидах считался невозможным.

Тепло? Бог с ними, с мухами!

Очередным весомым фактором сверхобитаемости Эллер и Армстронг справедливо посчитали среднюю температуру поверхности. Учёные констатируют: видовое разнообразие и биопродуктивность в абсолютных цифрах в тропиках выше, чем в умеренном климате; следовательно, в периоды истории земли, когда на ней было теплее, чем сегодня, её биота была отличалась б? Льшим разнообразием и многочисленностью, чем в наши дни, когда планета в целом имеет 14-15 C. мы уже ждём ваших вопросов "а как же глобальное потепление? " - и авторы специально поясняют, что сверхобитаемой тёплая планета будет только в том случае, если это её привычный климат, а если вы на 14-градусной земле устроите резкое потепление, то вымирание видов случится, простите, по - любому. Собственно говоря, всё это уже есть, хотя пока в основном и по другим причинам.

Наши учёные мужи оговариваются: поднимать среднюю температуру выше 25\xB0C тоже неразумно, поскольку в этом случае в океанской воде будет слишком мало кислорода (пермское вымирание), что приведёт сначала к массовой гибели морской жизни, а затем и вымиранию связанной с ней наземной. Тем не менее в диапазоне 15-25\xB0C они полагают планету более обитаемой, чем земля.

Несколько неожиданным фактором сверхобитаемости названа. Обитаемость. Нет, это масло не масленое: дело в том, что, судя по целому ряду признаков, чем раньше жизнь возникает и чем усиленней развивается, тем лучше условия для неё. Не верите? Эллер и Армстронг напоминают: возникновение несомненно биогенного кислорода в атмосфере 2, 5 млрд лет назад вначале вызвало вымирание. Однако почти сразу после этого океаны были заселены водорослями, которые впоследствии резко изменили мир, обусловив появление животных, их поедающих, а затем и колонизацию планетарной суши.

Наконец, недавнее появление методов фотосинтеза, который идёт при более низком содержании углекислого газа, означает настоящий прорыв в обитаемости нашей земли. В течение следующих 500 млн лет концентрация углекислого газа упадёт ниже 50 частей на миллион, ведь по мере нагрева планеты углекислый газ всё сильнее будет связываться горными породами. То есть C3-фотосинтезу, а вместе с ним и деревьям с лесами определённо придет конец. Фотосинтез с 4, изобретённый некоторыми цветковыми, станет той единственной вещью, которая позволит выжить наземным растениям и поедающим им животным, включая, возможно, нас. Вывод прост: чем дольше обитаема планета, тем выше её шансы на сверхобитаемость, поскольку биосфера явно модифицирует планетарную среду и одновременно изменяется под неё сама, добиваясь максимальной отдачи на единицу доступных ресурсов.

А ещё хорошо бы, чтобы обитаемой была не только сама экзопланета, но и соседи по системе. В вышеупомянутых сценариях Венеры на месте марса и луны весом в пол - земли с высокой вероятностью жизнь возникает и сможет развиваться более чем на одном теле солнечной системы. Авторы считают, что при этом неизбежен взаимный обмен формами жизни и вытекающая из этого вспышка биоразнообразия, трудноопределимая для планет, которые являются единственными обитаемыми в системе.