Планеты земного типа с трудом теряют свою воду

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?


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.


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.