Элизабет Таскер - Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

Словосочетание зона возможной жизни , или, короче, зона жизни, является, наверное, одним из самых досадных терминологических промахов в планетологии. Как и более причудливый вариант зона Златовласки, эти слова вызывают в воображении образы озер с кристально чистой водой, буйной зелени и аппетитно дымящейся тарелки с овсяной кашей на завтрак. К сожалению, все это не имеет никакого отношения к тому смыслу, который вкладывают в него ученые.

Предложивший этот термин в 1959 г. исследователь из Калифорнийского университета в Беркли Су-Шу Хуан понимал под зоной жизни такую область вокруг звезды, в пределах которой на поверхности Земли может существовать вода. Окажись Земля ближе к звезде, ее моря бы испарились. Отдались она от Солнца на слишком большое расстояние, и вода бы замерзла, превратившись в лед. Температура в зоне жизни не слишком высокая и не слишком низкая — она именно такая, какой должна быть.

К сожалению, подобно тому, как у разных людей могут быть разные представления об идеальной температуре овсянки, разным планетам может требоваться разное количество света звезды для формирования оптимальных условий для развития жизни. Доступного в зоне жизни света может оказаться недостаточно для появления кишащих жизнью океанов на планете, условия на поверхности которой отличаются от земных. Например, менее крупная планета, скорее всего, аккумулирует атмосферу меньшей толщины, чем земная, а значит, температура на ее поверхности будет слишком низкой, чтобы даже в зоне жизни на ней были моря с водой в жидкой фазе. С другой стороны, в зоне жизни обнаружено в пять раз больше газовых гигантов, чем каменистых планет: вряд ли кто-нибудь получит удовольствие от тарелки овсянки в адских условиях атмосферы Нептуна. Нахождение в зоне возможной жизни совсем не гарантирует наличие на планете воды. Мир такого же размера, как Земля, сформировавшийся в богатом углеродом протопланетном диске, обречен на абсолютную сухость. Та же участь ждет и планету, не подвергшуюся бомбардировке покрытыми льдом метеоритами.

Учитывая все это, хочется призвать журналистов, сообщающих об открытии новых экзопланет, к большей сдержанности в оценках, Они часто бездумно используют термин «зона жизни», подразумевая наличие на таких планетах условий для существования жизни. В действительности нахождение в зоне жизни не говорит нам ничего об особенностях среды на поверхности планеты. Оно просто означает, что, если бы поверхность такой планеты была точно такой, как на Земле, вода в вашем стакане, окажись вы на ней, оставалась бы жидкой. Чтобы внести ясность в эту терминологическое путницу, ученые предприняли попытку переименовать зону жизни в «зону умеренных температур». Здесь акцент переносится на наличие благоприятного количества света от звезды без каких-либо намеков на медведей и овсянку. В дальнейшем мы будем следовать этой традиции, чтобы у читателя не возникало ощущения, что его водят за нос.

При самом простом способе определения местонахождения зоны умеренных температур, исходят из допущения, что планета нагревается исключительно светом, который добирается до нее от звезды. Проведя такой расчет для Земли, получим среднюю температуру на поверхности, равную всего лишь 5,3 °C. На самом деле ситуация усугубляется тем, что около трети солнечного тепла Земля отражает, поэтому расчетное значение температуры придется понизить до –18 °C. При такой температуре замерзнут все поверхностные воды, и мы окажемся за пределами области умеренных температур вокруг Солнца, которая будет простираться от 0,47 до 0,87 а.е. [32] Напоминаю, что расстояние от Солнца до Земли составляет 1 а.е. В этом случае идеальным местом для жизни была бы Венера, а Земля превратилась бы в большой «снежок». К счастью, средняя температура на поверхности Земли составляет 15 °C — на 33 °C выше результата, полученного путем простейшего расчета. Разницей этой мы обязаны тому, что атмосфера выступает в роли естественной теплицы, удерживающей тепло нашей планеты.

Поверхность Земли поглощает проходящее через атмосферу оптическое излучение Солнца. При этом планета нагревается и повторно излучает полученную энергию в виде тепла в инфракрасном диапазоне. Убедиться в этом можно в любой солнечный день. Если потрогать почву ровно в полдень, когда Солнце стоит прямо над головой, она покажется прохладной. Всего через пару часов она может разогреться настолько, что вы не сможете ходить по ней босиком. Между этими двумя крайними состояниями почва поглощает солнечные лучи, чтобы потом отдать их энергию в виде инфракрасного излучения.

Если оптическое излучение может беспрепятственно проходить через земную атмосферу к поверхности планеты, то инфракрасное излучение встречает на своем пути препятствие. Из-за большей длины волны атмосфера поглощает его, не давая покинуть планету. При этом атмосфера нагревается и отражает часть инфракрасного излучения обратно на Землю. Поверхность планеты подвергается дополнительному нагреву благодаря образованному атмосферой защитному покрову. Это явление назвали парниковым эффектом , поскольку прозрачная конструкция для выращивания овощей точно так же нагревает почву за счет удержания инфракрасного излучения и нагретого воздуха внутри остекленного пространства.

Количество энергии инфракрасного излучения, которое остается в атмосфере, зависит от поглощающих его молекул. Основными парниковыми газами в воздухе над поверхностью Земли являются водяной пар и углекислый газ. На водяной пар приходится две трети поглощающих инфракрасное излучение молекул. Еще четверть приходится на углекислый газ. Остальные несколько процентов обеспечиваются различными газами, включая метан, диоксид азота, озон и созданные человеком хлорфторуглероды.

Если сократить расстояние от Земли до Солнца, интенсивность проникающего в атмосферу ультрафиолетового излучения увеличится. Температура на планете повысится, что приведет к переходу большего количества воды в пар. Из-за резкого скачка содержания водяного пара в воздухе парниковый эффект усилится, а значит, больше тепла будет удерживаться в атмосфере. Как следствие, произойдет дальнейшее увеличение температуры поверхности Земли.

Земля может компенсировать рост температуры путем сокращения количества углекислого газа. Этот парниковый газ вступает в реакцию с дождевой водой, превращая ее в углекислоту, которая выпадает в виде так называемого кислотного дождя. При попадании на поверхность планеты кислая дождевая вода растворяет горные породы, вступая во взаимодействие с ними в рамках процесса химического выветривания, приводящего к образованию богатых углеродом минералов. Растворенные минеральные вещества смываются в океан, образуя твердые соединения углерода, такие как меловой карбонат кальция [33] Это вещество можно встретить в виде белых образований на водопроводных кранах в регионах с жесткой водой, а также в антацидных препаратах. и известняк. В ходе этого процесса углерод удаляется из атмосферы, и планета охлаждается.