Зона обитаемости: когда температура может быть плохим советчиком

До сих пор расчёты зоны обитаемости не принимали во внимание атмосферное давление на экзопланетах земного типа, разнящееся для той же Солнечной системы в тысячи раз. Новое исследование наконец-то ликвидирует досадный пробел.

Учёные под руководством Джованни Владило (Giovanni Vladilo) из Астрономической обсерватории Триеста (Италия) смоделировали зависимости границ зоны обитаемости планет вокруг других звёзд от плотности их атмосферы.

Атмосферное давление на планетах земной группы может существенно колебаться. Скажем, в Солнечной системе ситуация такова: от одной квадриллионной бара на Меркурии до ~0,06 на Марсе, от единицы на Земле и до 93 бар на Венере. Даже если забыть о безатмосферном Меркурии, разница в давлениях куда больше тысячекратной. Нельзя сказать, чтобы мы до конца понимали, чем это вызвано. Следовательно, нет никакой определённости и с плотностью атмосфер экзопланет земной группы. Разумеется, было бы интересно выяснить, каковы шансы у жизни земного типа в подобном диапазоне давлений.

Исследователи взяли довольно узкий диапазон, от 0,33 до 3–5 бар, что соответствует условиям в верхних слоях тропосферы Земли на полюсах и давлению, испытываемому под водой на глубинах в десятки метров (что вполне доступно ныряльщику без искусственных приспособлений). Ну а в качестве критерия зоны обитаемости итальянцы ориентировались в первую очередь на возможность существования воды на поверхности планеты, причём именно в жидком виде.

В использованной одномерной модели энергетического баланса тремя основными факторами, посредством которых атмосферное давление влияло на зону обитаемости, стали рост парникового эффекта, неизбежный с увеличением давления, улучшение эффективности горизонтального теплового переноса (с ветрами), сглаживающего температурные колебания на поверхности планеты, и влияние давления на температуру кипения воды (напомним, что уже на Эвересте она закипает при температуре менее 70 °C). Естественно, включение третьего фактора сделало анализ планет с давлением ниже 0,33 бара бессмысленным — вода там очень быстро начинала кипеть, вплоть до мгновенного перехода из твёрдого состояния (льда) в газообразное.

Другим серьёзным ограничением, которое авторы наложили на свои расчёты, стали температурные границы, комфортные для мезофильной (похожей на нашу с вами) жизни (экстремофильная их не интересовала). Оказалось, что наиболее интересны для нас те экзопланеты, где средняя температура колеблется между 0 и 60 °С.

Что в итоге? Для условий вокруг звезды типа нашего Солнца, даже при низком давлении, способном компенсировать слишком близкое расположение к светилу, жизнь невозможна ближе, чем в 0,82 а. е., ибо слишком жарко. В то же время внешняя граница зоны обитаемости при росте давления расширяется очень незначительно, лишь до 1,08 а. е. Причины последнего в том, что авторы пренебрегли сценариями с высоким количеством углекислого газа в атмосфере, приняв его равным земному. Почему? Учёные не уверены в наличии существенных источников CO₂ (вулканизма и тектонической активности) на экзопланетах земной группы.

Для мезофильной жизни более всего приятна сине-зелёная область графика. Ниже лиловеют от холода криофилы, правее и выше поджариваются экстремофилы. (Иллюстрация G. Vladilo et al.)

Допущение формально обосновано, но вызывает некоторые вопросы. Например, по современным представлениям, на Венере нет тектонической активности. Однако несомненно, что в её атмосфере куда больше углекислого газа, чем на Земле. Иными словами, внешняя граница зоны обитаемости может быть значительно дальше даже вне сценария непременной тектонической активности.

Как оказалось, по мере роста давления температурные колебания на планетах начинали падать, причём очень резко. Уже при давлении, впятеро превышающем земное на уровне моря, все «колебания» температур для планеты, которая находится на внешнем крае зоны обитаемости (с самым суровым климатом), сводились к диапазону от –12 до +5 °С! Иными словами, температурные колебания там были существенно ниже, чем на земном экваторе в течение не то что года, но даже одного дня. По мнению авторов, организмы в таких мирах будут, по сравнению с земными, сущими неженками: небольшое похолодание или потепление — и жизнь большинства из них быстро закончится. Вполне вероятно, что ни теплокровность, ни даже многие механизмы терморегуляции, там не будут востребованы, то есть эволюция может принять совсем другое направление.

На планетах с давлением выше пяти атмосфер эта тенденция выглядит более значимой. И тут уже неважно, какой будет наклон планетарной оси: мощная атмосфера выровняет не только широтные, но и сезонные колебания температур, нивелируя разницу между зимой и летом.

Другим «сюрпризом» моделирования стали планеты в зоне обитаемости, на поверхности которых вода может кипеть или, напротив, существовать в форме льда. Как они туда попали, ведь без жидкой воды на поверхности, как нам долго рассказывали, жизни нет? Авторы рассуждают так: чем ниже атмосферное давление, тем выше должны быть температурные перепады между различными регионами. Поэтому даже если средняя температура планеты будет существенно ниже нуля, в тропических зонах вода сумеет продержаться в жидкой форме.

Если температура планеты с низким атмосферным давлением подобна земной, вода на экваторе будет выкипать, а у полюсов — замерзать. Внизу: на Земле есть существа, способные жить и при трети земного давления. (Фото Би-би-си.)

Обитаемость такой планеты со средней температурой ниже точки замерзания учёные оценили в 0,33.

Более того, при низком давлении возможна ситуация, когда средняя температура поверхности выше точки замерзания воды, но ниже точки её кипения (как на Земле), ведёт к ухудшению условий обитаемости. Дело в том, что при низком давлении и, следовательно, огромных зональных температурных перепадах приемлемая средняя температура будет означать, что на экваторе вода начнёт выкипать, а в приполярных областях — замерзать. Жизнеспособными останутся только узкие полосы в умеренных широтах каждого из полушарий. Причём полосы, судя по всему, изолированные друг от друга. Обитаемость такой планеты исследователи оценили в 0,24 — значительно ниже, чем для экзопланеты со средней температурой ниже точки замерзания воды.

Исходя из этого учёные постулируют, что средняя температура поверхности для планет с разряженной атмосферой часто может быть плохим советчиком: там, где она ниже, условия жизни могут быть значительно лучше, чем там, где она похожа на земную.

Разумеется, предложенная модель не может считаться идеальным средством расчёта зон обитаемости. Ей свойствен сильнейший мезофильный шовинизм. Едва ли не во всём диапазоне предположенных итальянцами условий (кроме давлений ниже 0,55–0,60 бар) запросто (после периода акклиматизации) может жить человек современного типа. Вряд ли можно ожидать, что он является верхом приспособляемости; даже среди высших животных Земли множество таких, что уверенно выживут при любом из предложенных давлений и в диапазоне температур шире 0–60 °С.

Отчёт об исследовании будет опубликован в Astrophysical Journal.

Подготовлено по материалам arXiv.