У ближайшей планеты-океана может быть довольно ровный климат

Подавляющее большинство звёзд нашей Галактики — красные карлики. Обитаемая зона их планет столь близка к светилу, что небесные тела неизбежно будут подвергаться приливному захвату, вечно ориентируясь одной стороной на звезду и морозя другую сторону. ...Но действительно ли «замерзает» другая сторона? Об этом учёные ожесточённо спорят. Скажем, Юнюнь Ху (Yongyun Hu) и Цзюнь Ян (Jun Yang) из Пекинского университета (КНР) только что построили новую трёхмерную модель климата такой планеты, правда, ограничившись лишь приблизительными цифрами земного атмосферного давления.


3D-модель, в отличие от более простой одномерной, учитывает такие процессы, как образование облаков, ветер и перенос им тепла, конвекция и другие виды сложных климатических феноменов. Тем не менее обычно для экзопланет опускают такую весьма сложную часть расчётов, как океаны. Между тем жидкая вода на поверхности, по современным представлениям, неотделима от понятия «потенциально обитаемой планеты». Именно поэтому китайские исследователи обратили особое внимание на процессы переноса тепла океанами. И это принесло свои плоды.

В качестве модельной планеты использовалась Глизе 581 g (20 св. лет от Земли), находящаяся в зоне обитаемости красного карлика Глизе 581. Она примерно в полтора раза крупнее Земли и столь близка к солнцу, что год там длится всего 36 дней. Хотя планета получает жалкие 866 Вт/м² (Земля — 1 366 Вт/м²), вероятность обитаемости этой «суперземли» довольно велика, поскольку при таких размерах у неё выше гравитация и, по идее, должна быть толще и плотнее атмосфера.

Не имея точных данных о химическом составе и плотности, авторы взяли земные, варьируя лишь содержание углекислого газа, что меняло рассчитываемую интенсивность парникового эффекта. Согласно современным подозрениям на регистрацию водяного пара в тамошней атмосфере, планету «покрыли» глубоким океаном — то есть смоделировали как океаниду.

Выяснилось следующее: традиционное представление о приливном захвате не прошло проверки. Обычно считается, что на вечно освещённой стороне планеты будет эдакая мегаполынья, а на тёмной — вечный лёд; причём со временем вся атмосфера на таких телах может сконцентрироваться на тёмной стороне, где так холодно, что сначала замёрзнут парниковые газы, а затем и все остальные. Модель же показала, что океанские течения будут так эффективно переносить тепло, что вдоль их следа, идущего по экватору, должно образоваться чистое ото льда пространство, и даже при 0,033% CO₂ в атмосфере (что примерно соответствует Земле до нынешнего потепления) самое холодное место на планете имеет лишь -60 °C, что слишком тепло, чтобы начать «вымораживание» углекислого газа из атмосферы по марсианскому сценарию (следовательно, дальнейшее падение температуры невозможно).

Более того, климат на такой океаниде оказался завидно устойчивым к колебаниям температуры. Уронив концентрацию углекислого газа в моделируемой атмосфере в 110 раз (!), учёные получили ту же картину полыньи на экваторе, где жизнь очевидно возможна, и сравнительно умеренного холода в неосвещённых частях. Начав увеличивать количество основного парникового газа, они добились полного таяния льда на всей планете, превысив его земную концентрацию всего в 600 раз. Если бы мы так баловались на Земле, то имели бы раскалённую пустыню чуть ли не венерианского типа... В то же время Глизе 581 g явно не была при смерти даже в сценарии с чудовищным содержанием углекислого газа в атмосфере. Да что там «при смерти»! Шестикратный рост концентрации привёл к повышению температур на дневной, потенциально обитаемой стороне, всего на 2–3 °C, а весь остальной нагрев пришёлся на ночную сторону, спасая планету от вроде бы неизбежного перегрева! Заодно почти по всей планете температура выровнялась, обеспечивая предельно сходный климат в любой точке всемирного океана.

Что интересно, весь перенос воды течениями и температурная разность были свойственны только районам выше 400 м. Ниже температура океанов по всей планете была одинаковой.

Чтобы понять, насколько такая климатическая система устойчива к изменению расстояния до звезды, исследователи меняли количество входящего света при сохранении 0,0355% CO₂. И тут выяснилось, что всепланетная циркуляция океанских течений делает дальнюю границу зоны обитаемости — где планета целиком покроется устойчивым ледяным панцирем — ближе, чем показывали предшествующие модели, не оперирующие такой циркуляцией. Планета вошла в стадию Земли-«снежка» уже при 700 Вт/м², в то время как в стандартных моделях этот показатель равен 550 Вт/м². Таким образом, внешняя граница зоны обитаемости сдвигается внутрь на 11–12% от общего её удаления от светила. Слишком большая близость к звезде, по мнению авторов, планетам-океанам тоже противопоказана, так как вызовет у них переход в стадию безудержного парникового эффекта и перегрева с началом потери водяного пара.

Полезность работы очевидна: исследователи не только подтвердили статус ближайшей планеты как потенциально обитаемого тела, но и предоставили инструменты для анализа потенциальной обитаемости любой океаниды. Заслуживает внимания и то, что после этой работы о «трудном климате» планет у красных карликов можно забыть, по крайней мере для планет-океанов.

Слева (а, b): распределение морского льда и свободной воды; справа (с, d): распределение температур поверхности. Вверху (a, c): при земном содержании углекислого газа (до нынешнего потепления). Внизу (b, d): то же при содержании углекислого газа в 600 раз выше земного. Хорошо видно, что даже после колоссального роста содержания парникового газа эта экзопланета лишь выигрывает в обитаемости. Устойчивость, которая Земле может только сниться! (Илл. Yongyun Hu et al.)

Правда, с некоторыми выводами трудно согласиться. Так, сообщается, что поскольку вымерзание углекислого газа на ночной стороне при -–60 °C исключено, то соответствующая печальная цепь событий для Глизе 581 g невозможна. Между тем не секрет: даже в нашей Солнечной системе земное атмосферное давление не повторяется больше ни на одной планете или спутнике. Если же атмосферное давление на Глизе 581 g выше земного, то углекислый газ может начать замерзать и при такой температуре, обеспечивая со временем катастрофическое выхолаживание.

Хотя, конечно, до выхолаживания при высокой плотности атмосферы дело может и не дойти. Ещё одна работа показывает, что планеты у красных карликов даже при приливном захвате уже при давлении, впятеро превышающем земное, будут иметь просто идеальный климат, почти без температурных перепадов. В этом смысле отсутствие варьирования атмосферного давления кажется самой слабой стороной представленного исследования, которое особенно важно, если вспомнить, что ещё в 2011 году было показано: даже «суперземля» Глизе 581 d, пятая планета системы, находящаяся в полтора раз дальше Глизе 581 g от местного солнца, а потому получающая в два с лишним раза меньше его излучения, при атмосферном давлении, превышающем десять земных, будет теплее точки замерзания воды.

Другим сложным моментом назовём недостаточный учёт роли облаков. Впрочем, это простительно, поскольку пока реальный процент облачности Глизе 581 g нам неизвестен. Нелишне, правда, заметить, что многочисленные детали, касающиеся газовой оболочки этой экзопланеты, вполне могут быть выявлены телескопом «Джеймс Уэбб», запуск которого состоится в 2018 году. Словом, история исследования климата ближайшей известной океаниды ещё впереди.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (доступен полный текст).

Подготовлено по материалам Ars Technica.