…Что, бесспорно, хорошо с точки зрения их шансов на обитаемость
Процесс потери воды атмосферами планет всех типов — ключевой для понимания эволюции планет. В нашей системе он по меньшей мере трижды шёл разными путями: Земля не смогла быстро потерять воду (средний поверхностный слой в 2,5 км) и стала населённой. Венера лишилась воды (средний слой > 0,2 м) и, предположительно, не имеет жизни земного типа. Марс же, находясь в зоне обитаемости, воду в основном растерял (около 7–20 м, всё в полярных шапках), как и ту же обитаемость.
Что же определило столь разную судьбу планет земного типа в Солнечной системе? И как выяснить, по какому пути пошла та или иная экзопланета в иных звёздных системах?
С первого взгляда очевидно, что у всех четырёх планет земной группы нашей системы судьба воды на поверхности сложилась по-разному, ни разу не повторяясь. Насколько же разнообразной может быть ситуация в других звёздных системах! (Здесь и ниже иллюстрации Wikimedia Commons, R. Wordsworth, R. Pierrehumbert.)
Робин Водсворт (Robin Wordsworth) и Рэймонд Пьерхамберт (Raymond Pierrehumbert) из Чикагского университета (США) рассмотрели разные сценарии процесса потери воды планетами и пришли к довольно неоднозначным выводам. Оказалось, количество облаков в атмосфере относительно мало влияет на водопотерю: в диапазоне от 1 до 100% покрытия планеты облачностью скорость этого процесса при разных условиях менялась крайне слабо. Исследователи считают, что это хорошо, ибо прогнозировать облачность в реальных экзоатмосферах мы пока не можем, из-за слабого знания деталей физики процесса.
Зато другие факторы потери или сохранения гидросферы оказались весьма существенными. Так, при нулевом содержании в атмосфере азота потеря водяного пара в верхних слоях неизбежна при любой температуре поверхности. Дело в том, что именно азот препятствует перемешиванию разных слоёв воздушных масс, а в его отсутствие даже при нулевой концентрации углекислого газа (основного парникового элемента атмосферы) разложение водяного пара в верхних слоях на кислород и водород становится неизбежным и довольно быстрым. То есть Земля, полностью покрытая, скажем, льдами, но без азота, быстро начала бы терять воду, пребывающую в твёрдом виде: по расчётам, ультрафиолет Солнца стал бы разлагать молекулы воды прямо на поверхности льда, после чего такой мир купался бы в избытке кислорода, а водород свободно улетал бы в космос.
Однако такое развитие событий не слишком вероятно, подчёркивают учёные: азот входит в состав основной части атмосфер планетных тел, по крайней мере при их рождении. И здесь он играет необычную роль. Авторы утверждают, что из-за обеспечиваемого им перемешивания атмосферных слоёв возникает так называемая холодовая ловушка.
Чтобы звёздный ультрафиолет начал «раскалывать» воду на кислород и водород, водяной пар должен попасть сначала в стратосферу, где этот самый УФ есть. Но чтобы подняться туда не сконденсировавшимся, ему надо преодолеть холодные слои газовой оболочки, избежав конденсации и замерзания. Словом, если температура самого холодного слоя атмосферы ниже точки конденсации, скоростная потеря воды будет чрезвычайно затруднена: она просто не попадёт в стратосферу.
При этом даже над миром с большим содержанием углекислого газа, подчеркивают исследователи, всегда будет наличествовать слой газов с очень низкой температурой. И это действительно так: Венера, у которой газообразного углекислого газа несравнимо больше, чем на Земле, уже на высоте 125 км имеет в своей атмосфере слой с температурой в –175 ˚C, что существенно холоднее любого слоя на Земле. Более того, где-то с 60 км там повсеместный минус — при всё ещё значительном атмосферном давлении и сравнительно низком ультрафиолете. Из-за чего прямое попадание воды, будь она на сегодняшней Венере, в верхние слои её атмосферы, куда дотягивается солнечный ультрафиолет, было бы весьма затруднено.
Как же Венера всё-таки лишилась почти всей воды в таких условиях? Авторы до некоторой степени уходят от этого вопроса. Как они полагают, причиной могла стать и значительно бóльшая доза ультрафиолета (Венера получает его примерно вдвое больше Земли). С другой стороны, они ссылаются на некоторые работы, утверждающие, что Венера могла и вовсе не иметь жидкой воды в земных количествах; в лучшем случае среднее количество её воды не превышало трети от земного. И даже тогда существенная потеря воды была возможна лишь за счёт относительно сильного УФ-излучения молодого Солнца, к настоящему времени сильно ослабевшему в этой части спектра.
Более того, после существенного наращивания концентрации углекислого газа в моделируемой атмосфере, выяснилось, что он только сперва помогает планетам терять воду. После достижения определённой концентрации он, напротив, охлаждает атмосферу из-за сильного поглощения на длинах волн 1 500 и 4 300 нм. Помимо этого, он эффективно улавливает излучение, поэтому, даже если вода попадёт в верхние слои атмосферы, её молекулы будут в значительной степени защищены от фотолиза солнечными лучами, причём защищены тем самым углекислым газом, который считается главным врагом воды, провоцирующим её полную потерю.
В этой связи, отмечают авторы, даже при условиях, которые формально способствуют потере H2O, планеты, имеющие существенные (хотя бы земные) изначальные запасы воды, почти наверняка сохранят значительное её количество на протяжении своего жизненного цикла. Особенно это относится к планетам звёзд класса G, ультрафиолетовое излучение которых бывает сильным только в ранней молодости. Чуть хуже дела у экзопланет вокруг красных карликов, УФ-излучение которых убывает не так быстро. Однако и там существенная потеря воды угрожает только тем, у кого воды и так было мало. В остальных районах зоны обитаемости речь о полной потере воды по венерианскому сценарию не идёт.
Слева — Земля у Солнца. Справа — Земля у спокойного красного карлика (основная часть их популяции). Внизу — Земля у красного карлика со склонностью к вспышкам. Белыми крестиками показана ситуация с тяжёлой потерей воды. Легко видеть, что для Земли в первые пять миллиардов лет любые колебания содержания углекислого газа не приведут к столь трагическому исходу, а вот когда Солнце станет старше, этого сценария не избежать.
Особо отмечается, что даже в таких местах, где планета типа Земли могла расстаться с основной частью воды, «водные миры», полностью ею покрытые, даже за многие миллиарды лет не успеют потерять столько голубой жидкости, чтобы это поставило под угрозу их обитаемость.
Хотя авторы оптимистичны и считают, что потеря воды в первые миллиарды лет после образования планет не может угрожать появлению на них жизни, в других аспектах они настроены не столь радужно. В частности, те же звёзды G-класса (включая Солнце), которые безопасны для гидросфер своих планет на ранних стадиях, из-за резкого роста светимости через четыре-пять миллиардов лет жизни, напротив, нагревают их так, что потеря H2O пойдёт весьма резвыми темпами. И именно такая судьба ждёт Землю в ближайший миллиард лет.
Отчёт об исследовании принят к публикации в издании Astrophysical Journal.
Подготовлено по материалам arXiv.
Источник: compulenta.computerra.ru.
Рейтинг публикации:
|
