Нетривиальности поиска жизни в космосе. Ч.1 Атмосфера
Мы регулярно читаем в интернете сенсационные сообщения: вот открыта планета, на которой может быть жизнь! Она находится в зоне жизни!
К сожалению в этом вопросе как и в многих других журналисты - а именно они являются авторами большинства подобных сообщений - безбожно упрощают результаты научных исследований. Упрощают до такой степени, что результат уже вовсе не напоминает подлинный источник.
В этом смысле кажется очень интересна книга американского научного журналиста Ли Биллингса 5 000 000 000 лет одиночества; одну из глав этой книги представляет сайт ЭЛЕМЕНТЫ.ру.
Я позволю себе пересказать некоторые идеи из этой главы.
Проблема
Когда мы читаем, что вот "планета X системы NNN находится в зоне жизни" - что это собственно говоря должно означать и на основании чего сделан подобный вывод?
Во первых мы должны себе представлять что это за планета: каменистая с атмосферой, как Земля, или газовый шар вроде скажем Нептуна?
Для этого нам нужно получить данные по ее радиусу и массе. Тогда рассчитав среднюю плотность мы поймем, что мы наблюдаем.
Хорошо, допустим перед нами планета земного типа, и у нее масса где-то больше 0,8 масс Земли, так что она потенциально способна удерживать достаточно долго свою атмосферу.
После этого на основе данных об интенсивности свечения звезды и расстояния до звезды мы делаем вывод о примерной средней температуре на планете. А вот тут начинаются серьезные проблемы.
Поглядите на Марс, он холоден и безжизнен, он потерял атмосферу. Но пару миллиардов лет назад, он был намного теплее, по нему текли реки. А ведь Солнце тогда светило заметно менее активно - а он все равно был теплее.
Почему он потерял атмосферу и вместе с нею тепло и жизнь?
А вот другая каменная планета - Венера. Есть серьезные основания полагать, что она была намного холоднее, более того - и на ней была вода. Почему Марс катастрофически остыл, несмотря на более горячее Солнце, Венера чудовищно раскалилась до температур плавления свинца, а вот Земля сияет голубой красотой? Хотя ведь и на Земле были периоды полного оледенения.
Уже эти данные показывают, что сами по себе параметры: масса планеты, светимость звезды, параметры орбиты, - тот скудный минимум, который мы сегодня можем получить об экзопланетах, крайне недостаточен: ведь одни и те же или очень близкие параметры могут привести к совершенно различным результатам.
А ведь еще - для развития жизни нужно много времени - значит параметры длительное время должны удерживаться в приемлемом диапазоне, нужна стабильность.
Попробуем разобраться.
Роль атмосферы
А почему вообще атмосфера греет?
Она мешает остывать, задерживая тепло. Но вокруг планеты - космос, пустота. Отдавать тепло попросту некому. Значит остывать планета может только за счет того, что она излучает.
Это ничего, что она холодная, она все равно излучает. И атмосфера мешает ей излучать, поглощая излучение планеты. Хм... но она ведь тогда и нагревться за счет излучения звезды тоже мешает.
Верно. Но вот тут нам понадобится кривая Планка, которая показывает распределение энергии в излучении тел (по-научному спектр излучения) в зависимости от длины волны излучения
Посмотрите на эти графики.
Самый верхний отвечает температуре 6000К (градусов Кельвина) - это температура излучающей поверхности Солнца. И видно что наши глаза прекрасно адаптированы к излучению именно нашей звезды: мы видим достаточно узкий диапазон длин волн вблизи спектрального максимума Солнца, т.е. мы чутко ловим тот свет, который главным образом к нам и приходит.
Но мы видим тут еще одну важную закономерность: чем ниже температура излучающего тела, тем меньше оно излучает (это понятно), но кроме того спектральный максимум кривой сдвигается вправо, в сторону более длинных волн - максимум движется в инфракрасную зону. Это закон Вина: длина волны спектрального максимума обратно пропорциональна температуре в Кельвинах.
Мы видим, что уже при 3000К в видимом диапазоне излучается намного меньше, причем только на красном и желтом участке, короткие "синие" волны практически исчезли, а максимум ушел в более длинноволновую инфракрасную зону.
А у Земли температура грубо 300К - значит максимум излучения Земли расположен в далеком инфракрасном диапазоне. У Солнца спектральный максимум в районе примерно 0,5мкм (микрометров), Земля в 20 раз холоднее, значит у нее максимум излучения на волне в 20 раз длиннее - примерно 10мкм.
Вот теперь нам понятно, какая атмосфера будет хорошо греть.
Нам нужна атмосфера, прозрачная для излучения с длиной волны вблизи 0,5мкм, чтобы пропускать видимый свет, тут больше всего излучает Солнце.
А вот излучение с длиной волны порядка 10 мкм пропускать не надо - тогда Земля не будет остывать.
Нужно сказать, что главные компоненты атмосферы кислород и азот хорошо пропускают в обеих диапазонах и на роль шубы не годятся.
А вот СО2, углекислый газ имеет полосу поглощения в инфракрасной области. Правда она у него узкая. Зато широкую полосу поглощения в зоне 10мкм имеет водяной пар, именно она главный регулятор тепла. И мы ведь еще со школы знаем, как жарко в пустыне днем - и как холодно ночью. Потому что сухая атмосфера плохо держит тепло.
Надо сказать, что есть еще один газ - хороший утеплитель: это метан. Сегодня его в атмосфере мало, но были времена когда его было довольно много, можно представить, что есть планеты, на которых он играет существенную роль терморегулятора.
Вода, углекислота и метан - парниковые газы, они позволяют атмосфере работать шубой.
Вооружившись этими знаниями, приступим к боле внимательному рассмотрению проблемы.
Термобарический профиль атмосферы
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 первую скрипку играет водяной пар. Его влияние на климат качественно отличается от влияния CO2. 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.
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 поверхности Земли, как кастрюля с водой на плите.
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. Ученые 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.
Опираясь на предыдущие работы других планетологов, 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.
Облака плывут, облака...
Приведнные соображения показывают, что ситуация намного сложнее, чем кажется по прочтении "сенсационных сообщений". И планеты, находящиеся в сравнительно близких условиях с точки зрения размеров и энергобаланса, могут в реальности создать очень различные климатические ситуации в зависимости от плотности атмосферы, сравнительно небольших сдвигов ее состава и различий в динамике формирования планет и их атмосфер.
Однако реальная ситуация еще менее определена.
Просто потому что модели климата даже достаточно сложные при разных модельных допущениях выдают весьма противоречивые результаты. Вот два простых примера.
Двуслойные облака
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. Нигде этот вопрос не встает с большей очевидностью, чем при рассмотрении проблемы облаков. Для климатологов облака - это необычайно изменчивый конгломерат воздуха, водяного пара и капель воды, напоминающий в своей дьявольской сложности живое существо. В зависимости от мощности, высоты и сложности структуры облачный слой может либо нагревать, либо охлаждать планету. Одеяло из плотных, низких облаков способно отражать значительную часть падающего на него снаружи солнечного света, приводя к понижению температуры находящейся под ним поверхности.
Но поместите поверх плотного облачного слоя тонкий слой полупрозрачных облаков, и бóльшая часть эффекта охлаждения будет нивелирована, поскольку полупрозрачный верхний слой теперь позволяет солнечному свету свободно проходить вниз, но излучаемый обратно инфракрасный свет будет пойман в ловушку между двумя облачными слоями. Никто не пытается спорить с тем, что чем сильнее нагревается поверхность Земли, тем больше водяного пара оказывается в атмосфере, и тем более мощные облака образуются при конденсации этого водяного пара, и тем сильнее они отражают солнечный свет, противодействуя разогреванию планеты. Но относительно того, где конкретно эти облака будут формироваться, как долго они будут существовать и какова величина эффекта этой обратной связи, общего мнения до сих пор нет.
Облака углекислоты
На больших расстояниях от звезды планета будет обладать более холодной атмосферой, и углекислый газ начнет конденсироваться в сухой лед в высоких слоях атмосферы, из которого в атмосфере будут формироваться облака, укутывающие планету теплоизолирующим одеялом и создающие на поверхности условия для существования жидкой воды. В 1993 году Кастинг оценил радиус внешней границы зоны жизни в 1,67 астрономической единицы, что несколько больше большой полуоси орбиты Марса, но из-за неопределенности, связанной с облаками из твердой углекислоты, эта граница может находиться еще дальше.
Уже проведенные рассмотрения показывают, насколько грубыми показателями мы пользуемся. представляя очередную экзопланету как находящуюся в "зоне жизни".
Потому что по одним моделям и Марс, и даже Венера могли бы находиться в "зоне жизни, по крайней мере в дни своей юности.
А по другим моделям и Земля может из этой зоны улететь.
И это только учет процессов в атмосфере. А ведь есть еще и геология с геохимией.
Но об этом позже