Если бы Земля была экзопланетой, смогли бы инопланетяне определить, что на ней есть жизнь?

Какой бы показалась Земля инопланетным астрономам? Что бы их наблюдения рассказали им о Земле, если бы они, как и мы, искали в небесах признаки обитаемости?

Этот эксперимент - не просто забава: Он поучителен с научной точки зрения. Во многих отношениях проще изучить нашу планету и то, как она выглядит, а затем экстраполировать эти результаты как можно дальше.

Новое исследование показывает, что поиск доказательств существования жизни на Земле может зависеть от времени года, в которое астрономы наблюдают за инопланетными обитателями.

Почти ничто в космической науке не вызывает такого всеобщего ажиотажа, как обнаружение потенциально пригодной для жизни планеты.

Пока что мы получили лишь отдельные признаки и намеки на экзопланеты, которые могут быть пригодны для жизни. Нам предстоит пройти долгий путь.

Потребуется много научных исследований и новаторских рассуждений, прежде чем мы сможем сказать: "Да. Эта далекая планета пригодна для жизни".

Новое исследование может стать частью этого пути, если мы изучим внешний вид Земли в разные времена года.

Исследование называется "Земля как экзопланета: II. Переменная во времени тепловая эмиссия Земли и ее атмосферная сезонность биоиндикаторов". Оно доступно на сайте предварительной печати arXiv.org, а его ведущим автором является Жан-Ноэль Меттлер. Меттлер - докторант кафедры физики ETH Zurich, изучающий экзопланеты и обитаемость.

Исторические корни этого типа исследований уходят в 1970-е годы, когда космические аппараты посещали планеты нашей Солнечной системы. Пионер 10 и 11 (Юпитер и Сатурн) и Вояджер 1 и 2 (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) совершили облеты некоторых родных планет.

Это было началом более глубокого изучения других планет. Измеряя ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, ученые многое узнали о свойствах планетарных атмосфер, поверхностей и общего энергетического баланса.

Но сегодня мы живем во времена науки об экзопланетах. Мы распространяем тот же тип наблюдений на планеты, находящиеся на расстоянии световых лет от нас.

Удивительное разнообразие планет, которые мы открыли, интересно само по себе, но если и есть Святой Грааль в науке об экзопланетах, то это обитаемость. Мы хотим знать, существует ли где-то там другая жизнь.

По мере развития технологий астрономы получают все более мощные инструменты для изучения далеких планет. Технологическая цивилизация в другом месте Млечного Пути, вероятно, сделала бы то же самое.

В данном исследовании рассматривается инфракрасный спектр излучения Земли, влияние различных геометрий наблюдения на эти спектры, а также то, как эти наблюдения выглядели бы для гораздо более удаленного наблюдателя.

Исследователи также оценили, как смена времен года влияет на спектры. "Мы узнали, что существует значительная сезонная изменчивость в спектре теплового излучения Земли, а сила спектральных характеристик биоиндикаторов, таких как N2O, CH4, O3 и CO2, сильно зависит как от сезона, так и от параметров обзора".

В исследовании рассматривались четыре различные геометрии наблюдений: по одной с центром на Северном и Южном полюсах, одна на африканском экваторе и одна на тихоокеанском экваторе.

Спектры наблюдались с помощью атмосферного инфракрасного зонда на борту спутника NASA Aqua.

Исследователи обнаружили, что не существует единого, репрезентативного образца спектра теплового излучения Земли. Сезонные изменения делают это невозможным.

"Вместо этого", - говорится в статье, - "существует значительная сезонная изменчивость в спектре теплового излучения Земли, а сила поглощения биосигнатур сильно зависит как от сезона, так и от геометрии наблюдения".

Исследователи также обнаружили, что тепловое излучение сильно варьируется в зависимости от геометрии наблюдения. Изменчивость показаний была намного больше над сушей, чем над океанами. Африканский экваториальный обзор и обзор Северного полюса были сосредоточены на массивах суши и показали большую изменчивость.

"В частности, вид с полюса северного полушария (NP) и экваториальный вид с центром в Африке (EqA) показали годовую изменчивость 33% и 22% на пиковой длине волны Земли ≈ 10,2 мкм, соответственно", - говорится в заключении.

Но тепловая стабильность океанов означала меньшую изменчивость". "С другой стороны, геометрии обзора с высокой долей моря, такие как обзор с полюса южного полушария (SP) и экваториальный обзор с центром в Тихом океане (EqP), показывают меньшую годовую изменчивость из-за большой тепловой инерции океанов".

Общий вывод из этого исследования заключается в том, что такая живая, динамичная планета, как Земля, не может быть охарактеризована одним спектром теплового излучения. На Земле происходит слишком много всего, и в этом исследовании даже не рассматривались облака и их влияние.

"Необходима будущая работа, чтобы изучить, как фракция облаков, сезонность облаков и их термодинамические фазовые свойства влияют на обнаружение и результат атмосферной сезонности", - пишут авторы.

Авторы говорят, что некоторые вариации незначительны и их будет трудно выявить при наблюдении за далекими планетами. Плохие данные могут скрыть их.

"Даже для Земли и особенно для экваториальных видов, вариации потока и силы особенностей поглощения в интегрированных по диску данных малы и обычно составляют ≈ 10 процентов. Отделить эти вариации от шума в будущих наблюдениях экзопланет будет непростой задачей".

Сложность Земли делает ее трудной целью для такого типа наблюдений, и авторы признают это.

"Эта сложность делает дистанционное определение характеристик планетарной среды очень сложной задачей", - объясняют они.

"Используя Землю в качестве испытательного полигона, мы поняли, что планета и ее характеристики не могут быть описаны одним спектром теплового излучения, а требуются многоэпохальные измерения, желательно как в отраженном свете, так и в тепловом излучении".

Большинство обнаруженных нами экзопланет основаны на нескольких транзитах этих планет перед своими звездами. Это имеет свои ограничения.

Космический телескоп "Джеймс Вебб" нацелен на изучение спектров некоторых экзопланет с большей мощностью, поэтому приближается тот день, когда нам нужно будет лучше понять, что мы видим.

В данном исследовании был опробован новый метод наблюдения за экзопланетами в среднем инфракрасном, а не в отраженном свете. Несмотря на сезонные колебания и изменения геометрии наблюдения, "... мы обнаружили, что наш результат относительно нечувствителен к суточным или сезонным эффектам, в отличие от измерений в отраженном свете".

Меттлер и его соисследователи считают, что их метод может внести уникальный вклад в наблюдения экзопланет в отраженном свете.

"Поэтому мы пришли к выводу, что наблюдение экзопланет с помощью теплового излучения может предоставить уникальную и дополнительную информацию, необходимую для характеристики земных планет вокруг других звезд".