Galimybė egzistuoti vandens planetose

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Daugumos mums žinomų planetų masė yra didesnė už Žemę, bet mažesnė už Saturną. Dažniausiai tarp jų yra „mini-neptūnai“ir „superžemės“– porą kartų masyvesni už mūsų planetą objektai. Pastarųjų metų atradimai suteikia vis daugiau pagrindo manyti, kad superžemės yra planetos, kurių sudėtis labai skiriasi nuo mūsų. Be to, paaiškėjo, kad kitose sistemose esančios antžeminės planetos nuo Žemės greičiausiai skirsis daug turtingesniais šviesos elementais ir junginiais, įskaitant vandenį. Ir tai yra gera priežastis stebėtis, kaip jie tinka visam gyvenimui.

Minėti skirtumai tarp buvusios žemės ir Žemės paaiškinami tuo, kad trys ketvirtadaliai visų Visatoje esančių žvaigždžių yra raudonosios nykštukės, šviesuliai, daug mažesnio masyvumo nei Saulė. Stebėjimai rodo, kad aplink jas esančios planetos dažnai yra gyvenamojoje zonoje – tai yra, iš savo žvaigždės jos gauna maždaug tiek pat energijos, kiek Žemė iš Saulės. Be to, raudonųjų nykštukų gyvenamojoje zonoje planetų dažnai būna itin daug: pavyzdžiui, TRAPPIST-1 žvaigždės „Auksaplaukės juostoje“vienu metu yra trys planetos.

Ir tai labai keista. Raudonųjų nykštukų gyvenamoji zona yra nutolusi milijonus kilometrų nuo žvaigždės, o ne 150–225 milijonus, kaip Saulės sistemoje. Tuo tarpu kelios planetos vienu metu negali susidaryti milijonais kilometrų nuo savo žvaigždės – jos protoplanetinio disko dydis neleis. Taip, raudonasis nykštukas jo turi mažiau nei geltonas, kaip mūsų Saulė, bet ne šimtą ar net penkiasdešimt kartų.

Situaciją dar labiau apsunkina tai, kad astronomai išmoko daugiau ar mažiau tiksliai „pasverti“tolimose žvaigždėse esančias planetas. Ir tada paaiškėjo, kad jei susietume jų masę ir dydį, paaiškėtų, kad tokių planetų tankis yra du ar net tris kartus mažesnis nei Žemės. Ir tai iš principo neįmanoma, jei šios planetos susiformuotų milijonus kilometrų nuo jų žvaigždės. Kadangi tokiu glaudžiu išdėstymu šviestuvo spinduliuotė turėtų tiesiogine prasme išstumti didžiąją dalį šviesos elementų į išorę.

Pavyzdžiui, būtent taip atsitiko Saulės sistemoje. Pažvelkime į Žemę: ji susiformavo gyvenamojoje zonoje, tačiau vandens masė jos neviršija vienos tūkstantosios dalies. Jei daugelio pasaulių tankis raudonosiose nykštukėse yra du ar tris kartus mažesnis, tai vandens ten yra ne mažiau kaip 10 ar net daugiau. Tai yra šimtą kartų daugiau nei Žemėje. Vadinasi, jie susiformavo už gyvenamosios zonos ribų ir tik tada ten migravo. Žvaigždžių spinduliuotė lengvai atima šviesos elementus iš protoplanetinio disko zonų, esančių arti šviestuvo. Tačiau iš paruoštos planetos, migravusios iš tolimosios protoplanetinio disko dalies, daug sunkiau atimti šviesos elementus – ten apatiniai sluoksniai yra apsaugoti viršutinių. O vandens netekimas neišvengiamai vyksta gana lėtai. Tipiška superžemė gyvenamojoje zonoje negalės prarasti nė pusės vandens ir per visą, pavyzdžiui, saulės sistemos egzistavimą.

Taigi, masyviausios Visatos žvaigždės dažnai turi planetų, kuriose yra daug vandens. Tai greičiausiai reiškia, kad tokių planetų yra daug daugiau nei tokių kaip Žemė. Todėl būtų gerai išsiaiškinti, ar tokiose vietose yra sudėtingos gyvybės atsiradimo ir vystymosi galimybė.

Reikia daugiau mineralų

Ir čia prasideda didžiosios problemos. Saulės sistemoje nėra artimų superžemių, turinčių daug vandens, analogų, o nesant stebėjimui prieinamų pavyzdžių, planetų mokslininkai tiesiogine prasme neturi nuo ko pradėti. Turime pažvelgti į vandens fazių diagramą ir išsiaiškinti, kokie parametrai bus skirtingiems vandenyno planetų sluoksniams.

Vandens būklės fazinė diagrama. Ledo modifikacijos žymimos romėniškais skaitmenimis. Beveik visas ledas Žemėje priklauso I grupei_h, o labai maža dalis (viršutiniuose atmosferos sluoksniuose) - iki I_c… Vaizdas: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Pasirodo, jei Žemės dydžio planetoje vandens yra 540 kartų daugiau nei čia, tai ją visiškai uždengs daugiau nei šimto kilometrų gylio vandenynas. Tokių vandenynų dugne slėgis bus toks didelis, kad ten pradės formuotis tokios fazės ledas, kuris išlieka kietas net ir esant labai aukštai temperatūrai, nes vandenį kietą laiko milžiniškas slėgis.

Jei planetos vandenyno dugnas bus padengtas storu ledo sluoksniu, skystas vanduo neteks kontakto su kietomis silikatinėmis uolienomis. Be tokio kontakto jame esantys mineralai iš tikrųjų neturės iš kur atsirasti. Dar blogiau, anglies ciklas bus sutrikdytas.

Pradėkime nuo mineralų. Be fosforo gyvybė – mums žinomomis formomis – negali būti, nes be jo nėra nukleotidų ir atitinkamai DNR. Be kalcio bus sunku – pavyzdžiui, mūsų kaulai susideda iš hidroksilapatito, kuris neapsieina be fosforo ir kalcio. Kartais Žemėje kyla problemų dėl tam tikrų elementų prieinamumo. Pavyzdžiui, Australijoje ir Šiaurės Amerikoje daugelyje vietovių neįprastai ilgai trūko vulkaninės veiklos, o dirvožemyje kai kur labai trūksta seleno (jis yra vienos iš gyvybei reikalingų aminorūgščių dalis).. Dėl to karvėms, avims ir ožkoms trūksta seleno, o kartais tai veda prie gyvulių žūties (JAV ir Kanadoje selenito papildymas gyvulių pašaru yra net reglamentuotas įstatymu).

Kai kurie tyrinėtojai teigia, kad vien tik mineralų prieinamumo veiksnys turėtų paversti vandenynus-planetas tikromis biologinėmis dykumomis, kuriose gyvybė, jei yra, yra labai reta. Ir mes tiesiog nekalbame apie tikrai sudėtingas formas.

Sugedęs kondicionierius

Be mineralų trūkumo, teoretikai atrado ir antrą galimą planetų-okeanų problemą – galbūt net svarbesnę nei pirmoji. Kalbame apie anglies ciklo sutrikimus. Mūsų planetoje jis yra pagrindinė sąlyginai stabilaus klimato egzistavimo priežastis. Anglies ciklo principas yra paprastas: kai planetoje tampa per šalta, anglies dioksido absorbcija uolienose smarkiai sulėtėja (tokio absorbcijos procesas vyksta greitai tik šiltoje aplinkoje). Tuo pačiu metu anglies dvideginio „atidėjimai“su ugnikalnių išsiveržimais vyksta tokiu pat tempu. Kai dujų surišimas mažėja ir tiekimas nesumažėja, CO₂ koncentracija natūraliai didėja. Planetos, kaip žinote, yra tarpplanetinės erdvės vakuume, o vienintelis reikšmingas šilumos praradimo būdas joms yra jos spinduliavimas infraraudonųjų bangų pavidalu. Anglies dioksidas sugeria tokią planetos paviršiaus spinduliuotę, todėl atmosfera šiek tiek įšyla. Taip iš vandenynų vandens paviršiaus išgarinami vandens garai, kurie taip pat sugeria infraraudonąją spinduliuotę (kitas šiltnamio efektą sukeliančias dujas). Dėl to CO₂ yra pagrindinis planetos šildymo proceso iniciatorius.

Būtent šis mechanizmas lemia tai, kad ledynai Žemėje anksčiau ar vėliau baigiasi. Jis taip pat neleidžia jai perkaisti: esant per aukštai temperatūrai anglies dioksidas greičiau surišamas su uolomis, o po to dėl žemės plutos plokščių tektonikos jos pamažu grimzta į mantiją. CO lygis₂krenta ir klimatas tampa vėsesnis.

Šio mechanizmo svarbą mūsų planetai vargu ar galima pervertinti. Įsivaizduokite sekundę anglies oro kondicionieriaus gedimą: tarkime, ugnikalniai nustojo išsiveržti ir nebeišneša anglies dvideginio iš Žemės gelmių, kurios kažkada ten nusileido senomis žemyninėmis plokštėmis. Pats pirmasis apledėjimas tiesiogine to žodžio prasme taps amžinas, nes kuo daugiau planetoje ledo, tuo daugiau saulės spindulių jis atspindės į erdvę. Ir nauja CO dalis₂ negalės atšaldyti planetos: ji neturės iš kur atsirasti.

Būtent taip teoriškai turėtų būti planetose-okeanuose. Net jei vulkaninė veikla kartais gali prasibrauti pro egzotiško ledo apvalkalą planetos vandenyno dugne, nieko gero. Iš tiesų jūros pasaulio paviršiuje tiesiog nėra uolienų, kurios galėtų surišti anglies dioksido perteklių. Tai yra, gali prasidėti nekontroliuojamas jo kaupimasis ir atitinkamai planetos perkaitimas.

Kažkas panašaus – tiesa, be jokio planetinio vandenyno – atsitiko Veneroje. Šioje planetoje taip pat nėra plokščių tektonikos, nors kodėl taip atsitiko, iš tikrųjų nėra žinoma. Todėl ten vykstantys ugnikalnių išsiveržimai, kartais prasiskverbdami pro plutą, į atmosferą išmeta daug anglies dvideginio, tačiau paviršius negali jo surišti: žemyninės plokštės neskęsta ir nepakyla naujos. Todėl esamų plokščių paviršius jau surišo visą CO₂, kuri galėtų ir negali sugerti daugiau, o Veneroje taip karšta, kad švinas ten visada liks skystas. Ir tai nepaisant to, kad, remiantis modeliavimu, esant Žemės atmosferai ir anglies ciklui, ši planeta būtų tinkama gyventi Žemės dvyniui.

Ar yra gyvenimas be oro kondicionieriaus?

„Žemiškojo šovinizmo“(pozicijos, kad gyvybė įmanoma tik „Žemės kopijose“, planetose, kuriose yra griežtai antžeminės sąlygos) kritikai iš karto uždavė klausimą: kodėl iš tikrųjų visi nusprendė, kad mineralai negalės prasiskverbti pro šalį. egzotiško ledo sluoksnis? Kuo stipresnis ir nepralaidesnis dangtelis yra virš kažko karšto, tuo daugiau po juo kaupiasi energijos, kuri linkusi išsiveržti. Čia ta pati Venera – plokščių tektonikos lyg ir nėra, o anglies dvideginio iš gelmių pabėgo tokiais kiekiais, kad gyvybės iš jos tiesiogine to žodžio prasme nėra. Vadinasi, tas pats įmanoma ir šalinant mineralus aukštyn – kietos uolienos ugnikalnio išsiveržimų metu visiškai krenta aukštyn.

Nepaisant to, išlieka kita problema - anglies ciklo „sugedęs oro kondicionierius“. Ar be jo galima gyventi vandenyno planetoje?

Saulės sistemoje yra daug kūnų, kuriuose anglies dioksidas visiškai neatlieka pagrindinio klimato reguliatoriaus vaidmens. Štai, tarkime, Titanas, didelis Saturno mėnulis.

Titanas. Nuotrauka: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, Nanto universitetas, Virdžinija Pasek, Arizonos universitetas

Kūnas yra nereikšmingas, palyginti su Žemės mase. Tačiau jis susidarė toli nuo Saulės, o šviestuvo spinduliuotė iš jo „neišgarino“šviesos elementų, tarp jų ir azoto. Tai suteikia Titanui beveik gryno azoto atmosferą – tų pačių dujų, kurios dominuoja mūsų planetoje. Tačiau jo azoto atmosferos tankis yra keturis kartus didesnis nei mūsų – dėl gravitacijos jis yra septynis kartus silpnesnis.

Iš pirmo žvilgsnio į Titano klimatą nuolat jaučiasi, kad jis yra itin stabilus, nors tiesiogine forma nėra „anglies“oro kondicionieriaus. Pakanka pasakyti, kad temperatūros skirtumas tarp ašigalio ir Titano pusiaujo yra tik trys laipsniai. Jei tokia pati situacija būtų Žemėje, planeta būtų daug tolygiau apgyvendinta ir apskritai tinkamesnė gyvybei.

Be to, daugelio mokslinių grupių skaičiavimai parodė: kai atmosferos tankis yra penkis kartus didesnis nei Žemės, tai yra ketvirtadaliu didesnis nei Titane, net vien azoto šiltnamio efekto visiškai pakanka, kad temperatūros svyravimai sumažėtų. beveik iki nulio. Tokioje planetoje dieną ir naktį tiek ties pusiauju, tiek prie ašigalio temperatūra visada būtų vienoda. Žemiškasis gyvenimas apie tokį dalyką gali tik pasvajoti.

Planetos-vandenynai pagal savo tankį yra tik Titano (1,88 g / cm³), o ne Žemės (5,51 g / cm³) lygyje. Tarkime, trijų planetų, esančių TRAPPIST-1 gyvenamojoje zonoje, esančioje už 40 šviesmečių nuo mūsų, tankis yra nuo 1,71 iki 2,18 g / cm³. Kitaip tariant, greičiausiai tokios planetos turi daugiau nei pakankamą azoto atmosferos tankį, kad būtų stabilus klimatas vien dėl azoto. Anglies dioksidas negali jų paversti įkaitusia Venera, nes tikrai didelė vandens masė gali surišti daug anglies dvideginio net ir be jokios plokštelinės tektonikos (anglies dioksidą sugeria vanduo, o kuo didesnis slėgis, tuo daugiau joje gali būti).

Gilios jūros dykumos

Su hipotetinėmis nežemiškomis bakterijomis ir archėjomis viskas atrodo paprasta: jos gali gyventi labai sunkiomis sąlygomis ir tam joms visai nereikia daugybės cheminių elementų. Sunkiau yra su augalais ir labai organizuotu gyvenimu, gyvenančiu jų sąskaita.

Taigi, vandenyno planetų klimatas gali būti stabilus – labai tikėtina, kad stabilesnis nei Žemėje. Taip pat gali būti, kad vandenyje yra labai daug ištirpusių mineralų. Ir vis dėlto gyvenimas ten visai ne Užgavėnės.

Pažvelkime į Žemę. Išskyrus pastaruosius milijonus metų, jos žemė yra nepaprastai žalia, beveik nėra rudų ar geltonų dykumų dėmių. Tačiau vandenynas visiškai neatrodo žalias, išskyrus kai kurias siauras pakrantės zonas. Kodėl taip?

Reikalas tas, kad mūsų planetoje vandenynas yra biologinė dykuma. Gyvenimui reikalingas anglies dioksidas: jis „stato“augalinę biomasę ir tik iš jos galima šerti gyvulinę biomasę. Jei aplink mus ore yra CO₂ daugiau nei 400 ppm kaip dabar, augmenija žydi. Jei jis būtų mažesnis nei 150 dalių milijonui, visi medžiai mirtų (ir tai gali įvykti po milijardo metų). Su mažiau nei 10 dalių CO₂ vienam milijonui apskritai žūtų visi augalai, o kartu ir visos tikrai sudėtingos gyvybės formos.

Iš pirmo žvilgsnio tai turėtų reikšti, kad jūra – tikra platybė visam gyvenimui. Iš tiesų, žemės vandenynuose yra šimtą kartų daugiau anglies dioksido nei atmosferoje. Todėl statybinių medžiagų augalams turėtų būti daug.

Tiesą sakant, niekas nėra toliau nuo tiesos. Vandens Žemės vandenynuose yra 1,35 kvintilijonų (milijonų milijardų) tonų, o atmosferoje – kiek daugiau nei penki kvadrilijonai (milijonai milijardų) tonų. Tai reiškia, kad tonoje vandens yra pastebimai mažiau CO.₂nei tona oro. Vandens augalai Žemės vandenynuose beveik visada turi daug mažiau CO₂ nei antžeminės.

Dar blogiau, vandens augalai turi gerą medžiagų apykaitą tik šiltame vandenyje. Būtent jame CO₂ mažiausiai dėl to, kad kylant temperatūrai jo tirpumas vandenyje mažėja. Todėl dumbliai, palyginti su sausumos augalais, egzistuoja nuolatinio didžiulio CO trūkumo sąlygomis.₂.

Štai kodėl mokslininkų bandymai apskaičiuoti sausumos organizmų biomasę rodo, kad du trečdalius planetos užimančios jūros indėlis į bendrą biomasę yra nereikšmingas. Jei paimtume bendrą anglies masę - pagrindinę bet kurio gyvo sutvėrimo sausos masės medžiagą - sausumos gyventojų, tada ji yra lygi 544 milijardams tonų. O jūrų ir vandenynų gyventojų kūnuose – tik šeši milijardai tonų, trupiniai nuo šeimininko stalo, kiek daugiau nei procentas.

Visa tai gali lemti nuomonę, kad nors planetose-okeanuose gyvybė įmanoma, ji bus labai labai negraži. Žemės biomasė, jei ją dengtų vienas vandenynas, jei visi kiti dalykai būtų vienodi, sausos anglies atžvilgiu būtų tik 10 milijardų tonų – penkiasdešimt kartų mažiau nei dabar.

Tačiau net ir čia dar anksti daryti galą vandens pasauliams. Faktas yra tas, kad jau esant dviejų atmosferų slėgiui, CO kiekis₂, kuris gali ištirpti jūros vandenyje, daugiau nei dvigubai (esant 25 laipsnių temperatūrai). Kai atmosfera yra keturis ar penkis kartus tankesnė nei Žemės – būtent to ir galima tikėtis tokiose planetose kaip TRAPPIST-1e, g ir f – vandenyje gali būti tiek daug anglies dvideginio, kad vietinių vandenynų vanduo pradės artėti. žemės oras. Kitaip tariant, vandens augalai planetose ir vandenynuose atsiduria daug geresnėmis sąlygomis nei mūsų planetoje. O kur daugiau žaliosios biomasės, o gyvūnai turi geresnę maisto bazę. Tai yra, skirtingai nei Žemė, planetų-okeanų jūros gali būti ne dykumos, o gyvybės oazės.

Sargasso planetos

Tačiau ką daryti, jei vandenyno planeta dėl nesusipratimo vis dar turi Žemės atmosferos tankį? Ir čia ne viskas taip blogai. Žemėje dumbliai linkę prisitvirtinti prie dugno, tačiau ten, kur tam nėra sąlygų, pasirodo, vandens augalai gali plaukti.

Kai kurie sargassum dumbliai naudoja oro užpildytus maišelius (jie primena vynuoges, todėl Sargaso jūros pavadinime kilęs portugališkas žodis "sargasso"), kad užtikrintų plūdrumą, ir teoriškai tai leidžia paimti CO.₂ iš oro, o ne iš vandens, kur jo trūksta. Dėl savo plūdrumo jiems lengviau atlikti fotosintezę. Tiesa, tokie dumbliai gerai dauginasi tik esant gana aukštai vandens temperatūrai, todėl Žemėje jiems santykinai gerai tik kai kur, pavyzdžiui, Sargaso jūroje, kur vanduo labai šiltas. Jei vandenyno planeta pakankamai šilta, tai net ir žemės atmosferos tankis nėra neįveikiama kliūtis jūriniams augalams. Jie gali vartoti CO₂ iš atmosferos, išvengiant mažo anglies dioksido kiekio šiltame vandenyje problemų.

Sargasso dumbliai. Nuotrauka: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

Įdomu tai, kad toje pačioje Sargaso jūroje plūduriuojantys dumbliai sukuria visą plūduriuojančią ekosistemą, panašią į „plaukiojančią žemę“. Ten gyvena krabai, kuriems pakanka dumblių plūdrumo, kad jie judėtų jų paviršiumi tarsi žemėje. Teoriškai ramiose vandenyno planetos vietose plūduriuojančiose jūros augalų grupėse gali išsivystyti gana „sausumos“gyvybė, nors pačios sausumos ten nerasite.

Patikrinkite savo privilegiją, žemie

Perspektyviausių gyvybės paieškų vietų nustatymo problema ta, kad kol kas turime mažai duomenų, kurie leistų išskirti labiausiai tikėtinus gyvybės nešėjus tarp planetų kandidatų. Pati „gyvenamos zonos“sąvoka čia nėra pati geriausia pagalbininkė. Jame gyvybei tinkamos laikomos tos planetos, kurios iš savo žvaigždės gauna pakankamai energijos, kad palaikytų skysčių rezervuarus bent dalyje savo paviršiaus. Saulės sistemoje ir Marsas, ir Žemė yra gyvenamojoje zonoje, tačiau iš pradžių sudėtinga gyvybė paviršiuje yra kažkokia nepastebima.

Daugiausia todėl, kad tai nėra tas pats pasaulis, kaip Žemė, su iš esmės skirtinga atmosfera ir hidrosfera. Linijinis vaizdavimas stiliumi „planeta-vandenynas yra Žemė, bet tik padengta vandeniu“gali įvesti mus į tą patį kliedesį, kuris egzistavo XX amžiaus pradžioje apie Marso tinkamumą gyvybei. Tikrieji okeanidai gali smarkiai skirtis nuo mūsų planetos – jie turi visiškai skirtingą atmosferą, skirtingus klimato stabilizavimo mechanizmus ir netgi skirtingus jūrų augalų aprūpinimo anglies dioksidu mechanizmus.

Išsamus supratimas apie tai, kaip iš tikrųjų veikia vandens pasauliai, leidžia iš anksto suprasti, kokia bus jiems tinkama gyventi zona, ir taip greitai atlikti išsamius tokių planetų stebėjimus James Webb ir kituose perspektyviuose dideliuose teleskopuose.

Apibendrinant galima pripažinti, kad dar visai neseniai mūsų idėjos apie tai, kurie pasauliai iš tikrųjų yra apgyvendinti, o kurie ne, per daug nukentėjo nuo antropocentrizmo ir geocentrizmo. Ir, kaip dabar paaiškėja, iš „sušcentrizmo“– nuomonės, kad jei mes patys atsiradome sausumoje, tai ji yra svarbiausia vieta gyvybės raidoje ir ne tik mūsų planetoje, bet ir kitose saulės. Galbūt ateinančių metų pastebėjimai šiuo požiūriu nepaliks akmens.