Элизабет Таскер - Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

Если мы продолжим сокращать расстояние от Земли до Солнца, в определенный момент интенсивный солнечный свет нагреет атмосферу настолько сильно, что с планеты улетучатся все газы. При поглощении солнечной энергии молекулами их скорость увеличивается до значения, позволяющего им преодолеть гравитационное притяжение планеты. Точку, в которой под воздействием Солнца планета утрачивает атмосферу, называют космическим берегом . Как и в случае с парниковым эффектом, точное его расположение сильно зависит от особенностей конкретной планеты. Легкие атомы улетучиваются быстрее, чем тяжелые молекулы, а значит, планета с атмосферой, богатой водородом, лишится ее быстрее, чем планета, в атмосфере которой преобладают газы с высоким содержанием углерода и кислорода. Удерживает атмосферу гравитационное поле планеты. Поэтому чем массивнее мир, тем более устойчивы газы на его поверхности к излучению звезды. Мы уже упоминали данную зависимость в главе 6, когда рассматривали механизм превращения горячего юпитера в хтоническую суперземлю. Максимальное излучение, которое может выдержать атмосфера Земли, в 25 раз превышает то, которому она подвергается сейчас. Такая интенсивность излучения наблюдается на расстоянии около 0,2 а.е. Область между космическим берегом и зоной умеренных температур называют зоной Венеры . Это та часть пространства, в пределах которой в результате мощного парникового эффекта планета земного типа с большой вероятностью должна превратиться в похожее на Венеру адское пекло, в котором плавится даже свинец.

Есть некая несправедливость в том, что, несмотря на совершенно не подходящие для медведей и овсянки условия, легче всего обнаруживаются как раз планеты в зоне Венеры, так как они ближе к своей звезде, чем миры аналогичного размера в зоне умеренных температур. Поэтому при рассмотрении вопроса о пригодности того или иного экзомира для жизни обязательно нужно обращать внимание на границу между этими областями.

Еще один фактор, затрудняющий определение границ зоны умеренных температур, — это сама звезда. Светимость звезды меняется на протяжении ее жизни, и значит, в разные периоды существования звезды окружающая ее планетная система получает разное количество тепла. По мере превращения водорода в гелий, а затем и в более тяжелые элементы ядро звезды сжимается. Сжатие сопровождается выделением энергии, что приводит к усилению светимости звезды. Около 3–4 млрд лет назад наше Солнце было на 30% менее ярким, чем сейчас. Если бы количество получаемой Землей солнечной энергии уменьшилось на такую величину, температура на поверхности нашей планеты была бы ниже на 20 °C, чем сейчас. То есть большая часть Земли была бы заморожена. Но, как это ни странно, геологические данные показывают, что 4 млрд лет назад на поверхности Земле было более чем достаточно воды в жидкой фазе. От той эпохи до нас дошли осадочные породы, которые были сформированы в результате оседания в жидкости твердых частиц. Это называют парадоксом тусклого молодого Солнца.

Убедительного объяснения ему до сих пор не нашли. Согласно одной гипотезе, миллиарды лет назад атмосфера нашей планеты была совершенно другой — в ней было больше парниковых газов, способных удерживать тепло. В результате круговорота углерода уровень углекислого газа в атмосфере мог подняться до 80% от ее массы. По другой гипотезе, в результате жизнедеятельности ранних бактериальных форм жизни в атмосфере могло резко увеличиться содержание метана.

При определении зоны умеренных температур учитывается влияние излучения звезды на температуру на поверхности планеты земного типа. Однако звезды не единственный источник тепла.

Одновременно с тем, что можно называть собственно теплом, Солнце испускает непрерывный поток заряженных частиц, называемый солнечным ветром . Он распространяется по Солнечной системе со скоростью 300–1200 км/с, обрушиваясь на планеты и формируя четко различимые хвосты комет. Кроме того, во внешних слоях Солнца происходят локальные взрывы, для обозначения которых использует термин солнечные вспышки . В ходе них в направлении планет выбрасывается дополнительная порция высокоэнергетических частиц. Наконец, периодически некоторая часть солнечного вещества выбрасывается наружу в рамках явления под названием корональный выброс массы . Корональным такой выброс вещества называют потому, что происходит он во внешнем слое солнечной атмосферы — солнечной короне. Корональные выбросы могут вызывать на Земле геомагнитные бури, создающие помехи в работе электрических приборов и GPS-систем. Однако на Землю бурная активность Солнца практически не оказывает влияния, так как нашу планету защищает ее магнитное поле.

Если вы отправитесь в Гренландию на севере или в Новую Зеландию на юге, при определенном везении вы сможете наблюдать северное или южное полярное сияние. Когда испускаемый Солнцем поток заряженных частиц достигает Земли, магнитное поле нашей планеты перехватывает его и перенаправляет к полюсам. При взаимодействии частиц с атомами кислорода и азота в верхних слоях атмосферы Земли они испускают зеленый и синий свет, который и создает полярное сияние.

Не будь у Земли магнитного поля, солнечные частицы беспрепятственно бы достигали ее поверхности. Чтобы понять, что ни к чему хорошему это бы не привело, достаточно взглянуть на наших ближайших соседей. Магнитного поля нет ни у Венеры, ни у Марса. Несмотря на то что по своему строению они очень похожи на Землю, из-за небольших отличий в процессе формирования они лишились своих защитных магнитных полей.

Магнитное поле нашей планеты создается расплавленным железным внешним ядром, которое остается горячим благодаря радиоактивным элементам и остаточному теплу, выделявшемуся при столкновениях в процессе формирования Земли. При движении этого электропроводящего металла появляется ток, который создает магнитное поле, превращая планету в гигантский стержневой магнит. Движение расплавленного ядра обусловлено вращением нашей планеты и потоками тепла, циркулирующими между ядром и поверхностью. Вторые возникают в результате тектонической активности плит Земли. При перемещении гигантских плит коры горячая мантия обнажается и плавит старую кору. При этом высвобождается энергия, которая заставляет охлаждаться внешний слой. Из-за разницы температур ядра и поверхности возникают мощные конвекционные потоки, циркуляция которых напоминает циркуляцию тепла в гигантской батарее отопления: теплая жидкость поднимается вверх, а более холодная опускается вниз, где снова нагревается. Это постоянное движение в недрах Земли придает импульс расплавленному ядру и нашему магнитному полю.