Възможността за живот на водните планети

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Повечето от планетите, за които знаем, са по-големи по маса от Земята, но по-малко от Сатурн. Най-често сред тях има "мини-нептуни" и "супер-земи" - обекти, няколко пъти по-масивни от нашата планета. Откритията от последните години дават все повече основания да се смята, че суперземите са планети, чийто състав е много различен от нашия. Освен това се оказа, че земните планети в други системи вероятно ще се различават от Земята по много по-богати светлинни елементи и съединения, включително вода. И това е добра причина да се чудите колко са годни за живота.

Споменатите по-горе разлики между бившата земя и Земята се обясняват с факта, че три четвърти от всички звезди във Вселената са червени джуджета, светила, много по-малко масивни от Слънцето. Наблюденията показват, че планетите около тях често са в обитаемата зона – тоест, където получават приблизително същата енергия от звездата си, както Земята от Слънцето. Освен това често има изключително много планети в обитаемата зона на червените джуджета: в "пояса на Златокоска" на звездата TRAPPIST-1, например, има три планети наведнъж.

И това е много странно. Обитаемата зона на червените джуджета се намира на милиони километри от звездата, а не на 150-225 милиона, както в Слънчевата система. Междувременно няколко планети наведнъж не могат да се образуват на милиони километри от звездата си - размерът на нейния протопланетен диск няма да позволи. Да, червено джудже го има по-малко от жълто, като нашето Слънце, но не сто или дори петдесет пъти.

Ситуацията се усложнява допълнително от факта, че астрономите са се научили повече или по-малко точно да „претеглят” планети в далечни звезди. И тогава се оказа, че ако съпоставим тяхната маса и размер, се оказва, че плътността на такива планети е два или дори три пъти по-малка от тази на Земята. А това по принцип е невъзможно, ако тези планети са се образували на милиони километри от тяхната звезда. Тъй като при такова близко разположение, излъчването на осветителното тяло трябва буквално да изтласква по-голямата част от светлинните елементи навън.

Точно това се случи в Слънчевата система, например. Нека да разгледаме Земята: тя се е образувала в обитаемата зона, но водата в нейната маса е не повече от една хилядна. Ако плътността на редица светове в червените джуджета е два до три пъти по-ниска, тогава водата там е не по-малко от 10 процента или дори повече. Тоест сто пъти повече, отколкото на Земята. Следователно те са се образували извън обитаемата зона и едва след това са мигрирали там. Лесно е звездната радиация да лиши светлинните елементи от зоните на протопланетарния диск близо до светилото. Но е много по-трудно да се лиши готова планета, която е мигрирала от далечната част на протопланетарния диск, от леки елементи - долните слоеве там са защитени от горните. И загубата на вода неизбежно е доста бавна. Типичната супер-земя в обитаемата зона няма да може да загуби дори половината от водата си и по време на цялото съществуване на, например, Слънчевата система.

И така, най-масивните звезди във Вселената често имат планети, в които има много вода. Това най-вероятно означава, че има много повече такива планети, отколкото Земята. Затова би било добре да разберем дали на такива места има възможност за възникване и развитие на сложен живот.

Нуждаете се от повече минерали

И тук започват големите проблеми. В Слънчевата система няма близки аналози на суперземи с голямо количество вода и при липсата на налични примери за наблюдение планетарните учени буквално няма от какво да започнат. Трябва да разгледаме фазовата диаграма на водата и да разберем какви параметри ще бъдат за различните слоеве на планетите океаниди.

Фазова диаграма на състоянието на водата. Ледните модификации са обозначени с римски цифри. Почти целият лед на Земята принадлежи към група I_з, и много малка фракция (в горните слоеве на атмосферата) - до I_{° С}… Изображение: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Оказва се, че ако на планета с размерите на Земята има 540 пъти повече вода, отколкото тук, то тя ще бъде изцяло покрита от океан, дълбок над сто километра. На дъното на такива океани налягането ще бъде толкова голямо, че там ще започне да се образува лед от такава фаза, който остава твърд дори при много високи температури, тъй като водата се държи твърда от огромното налягане.

Ако дъното на планетарния океан е покрито с дебел слой лед, течната вода ще бъде лишена от контакт с твърди силикатни скали. Без такъв контакт минералите в него всъщност няма откъде да дойдат. По-лошото е, че въглеродният цикъл ще бъде нарушен.

Да започнем с минералите. Без фосфор животът – в познатите ни форми – не може да бъде, защото без него няма нуклеотиди и съответно няма ДНК. Без калций ще бъде трудно – например костите ни са изградени от хидроксилапатит, който не може без фосфор и калций. Понякога на Земята възникват проблеми с наличието на определени елементи. Например в Австралия и Северна Америка в редица населени места е имало необичайно дълго отсъствие на вулканична активност, а в почвите на места има остра липса на селен (той е част от една от аминокиселините, необходими за живота). От това кравите, овцете и козите имат недостиг на селен и понякога това води до смърт на добитъка (добавянето на селенит към фуражите за добитък в САЩ и Канада дори е регламентирано със закон).

Някои изследователи предполагат, че самият фактор на наличието на минерали трябва да направи океаните-планети истински биологични пустини, където животът, ако има, е изключително рядък. И ние просто не говорим за наистина сложни форми.

Счупен климатик

В допълнение към недостига на минерали, теоретиците откриха втори потенциален проблем на планетите-океани – може би дори по-важен от първия. Говорим за неизправности във въглеродния цикъл. На нашата планета той е основната причина за съществуването на относително стабилен климат. Принципът на въглеродния цикъл е прост: когато планетата стане твърде студена, усвояването на въглероден диоксид от скалите рязко се забавя (процесът на такова усвояване протича бързо само в топла среда). В същото време "доставките" на въглероден диоксид с вулканични изригвания вървят със същия темп. Когато свързването на газа намалява и подаването не намалява, концентрацията на CO₂ естествено се повишава. Планетите, както знаете, са във вакуума на междупланетното пространство и единственият значителен начин за загуба на топлина за тях е нейното излъчване под формата на инфрачервени вълни. Въглеродният диоксид поглъща такава радиация от повърхността на планетата, поради което атмосферата леко се затопля. Това изпарява водната пара от водната повърхност на океаните, която също абсорбира инфрачервеното лъчение (друг парников газ). В резултат на това CO₂ действа като основен инициатор в процеса на нагряване на планетата.

Именно този механизъм води до факта, че ледниците на Земята рано или късно свършват. Той също така не позволява да се прегрява: при прекомерно високи температури въглеродният диоксид по-бързо се свързва със скалите, след което, поради тектониката на плочите на земната кора, те постепенно потъват в мантията. ниво на CO₂пада и климатът става по-хладен.

Значението на този механизъм за нашата планета трудно може да бъде надценено. Представете си за секунда повреда на въглероден климатик: да речем, вулканите са спрели да изригват и вече не доставят въглероден диоксид от недрата на Земята, който някога се е спускал там със стари континентални плочи. Още първото заледяване буквално ще стане вечно, защото колкото повече лед е на планетата, толкова повече слънчева радиация отразява в космоса. И нова порция CO₂ няма да може да размрази планетата: тя няма откъде да дойде.

Точно така, на теория, трябва да бъде на планетите-океани. Дори вулканичната дейност понякога да може да пробие обвивката на екзотичен лед на дъното на планетарния океан, в това няма нищо добро. Всъщност на повърхността на морския свят просто няма скали, които да свързват излишния въглероден диоксид. Тоест може да започне неконтролираното му натрупване и съответно прегряване на планетата.

Нещо подобно – вярно, без никакъв планетарен океан – се случи на Венера. На тази планета също няма тектоника на плочите, въпреки че не е известно защо това се е случило. Следователно вулканичните изригвания там, пробиващи понякога през кората, внасят много въглероден диоксид в атмосферата, но повърхността не може да го свърже: континенталните плочи не потъват и новите не се издигат нагоре. Следователно повърхността на съществуващите плочи вече е обвързала целия CO₂, който може и не може да абсорбира повече, а на Венера е толкова горещо, че оловото винаги ще остане течност там. И това въпреки факта, че според моделирането със земната атмосфера и въглеродния цикъл тази планета би била обитаем близнак на Земята.

Има ли живот без климатик?

Критиците на "земния шовинизъм" (позицията, че животът е възможен само на "копия на Земята", планети със строго земни условия) веднага зададоха въпроса: защо всъщност всички решават, че минералите няма да могат да пробият през слой екзотичен лед? Колкото по-здрав и непроницаем е капакът върху нещо горещо, толкова повече енергия се натрупва под него, която има тенденция да избухне. Ето същата Венера - тектониката на плочите сякаш не съществува, а въглеродният диоксид избяга от дълбините в такива количества, че от него няма живот в буквалния смисъл на думата. Следователно, същото е възможно и с отстраняването на минерали нагоре - твърдите скали по време на вулканични изригвания напълно падат нагоре.

Въпреки това остава друг проблем - „счупеният климатик“на въглеродния цикъл. Може ли една океанска планета да бъде обитаема без нея?

В Слънчевата система има много тела, върху които въглеродният диоксид изобщо не играе ролята на основен регулатор на климата. Ето, да речем, Титан, голяма луна на Сатурн.

титан. Снимка: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, Университет на Нант, Вирджиния Пасек, Университет на Аризона

Тялото е незначително в сравнение с масата на Земята. То обаче се е образувало далеч от Слънцето и радиацията на светилото не е „изпарила“от него светлинните елементи, включително азота. Това дава на Титан атмосфера от почти чист азот, същият газ, който доминира на нашата планета. Но плътността на азотната му атмосфера е четири пъти по-голяма от нашата - с гравитацията е седем пъти по-слаба.

Още при пръв поглед към климата на Титан има устойчиво усещане, че е изключително стабилен, въпреки че няма "въглероден" климатик в пряката му форма. Достатъчно е да се каже, че температурната разлика между полюса и екватора на Титан е само три градуса. Ако ситуацията беше същата на Земята, планетата щеше да бъде много по-равномерно населена и като цяло по-подходяща за живот.

Освен това изчисленията на редица научни групи показват: с плътност на атмосферата пет пъти по-висока от тази на Земята, тоест една четвърт по-висока от тази на Титан, дори парниковият ефект на азота е напълно достатъчен, за да спаднат температурните колебания до почти нула. На такава планета, ден и нощ, както на екватора, така и на полюса, температурата винаги би била една и съща. Земният живот може само да мечтае за такова нещо.

Планетите-океани по отношение на тяхната плътност са точно на нивото на Титан (1,88 g / cm ³), а не на Земята (5, 51 g / cm ³). Да кажем, че три планети в обитаемата зона TRAPPIST-1 на 40 светлинни години от нас имат плътност от 1,71 до 2,18 g / cm³. С други думи, най-вероятно такива планети имат повече от достатъчна плътност на азотната атмосфера, за да имат стабилен климат, дължащ се само на азот. Въглеродният диоксид не може да ги превърне в нажежена Венера, защото наистина голяма маса вода може да свърже много въглероден диоксид дори без никаква тектоника на плочите (въглеродният диоксид се абсорбира от водата и колкото по-високо е налягането, толкова повече може да го съдържа).

Дълбоководни пустини

С хипотетични извънземни бактерии и археи всичко изглежда е просто: те могат да живеят в много трудни условия и за това изобщо не се нуждаят от изобилие от много химични елементи. По-трудно е с растенията и силно организирания живот, живеещ за тяхна сметка.

Така че океанските планети могат да имат стабилен климат - много вероятно по-стабилен от Земята. Възможно е също така да има забележимо количество минерали, разтворени във вода. И все пак животът там изобщо не е Масленица.

Нека да разгледаме Земята. С изключение на последните милиони години, земята му е изключително зелена, почти лишена от кафяви или жълти петна от пустини. Но океанът изобщо не изглежда зелен, с изключение на някои тесни крайбрежни зони. Защо така?

Работата е там, че на нашата планета океанът е биологична пустиня. Животът изисква въглероден диоксид: той "изгражда" растителна биомаса и само от нея може да се храни животинската биомаса. Ако има CO във въздуха около нас₂ повече от 400 ppm, колкото е сега, растителността цъфти. Ако беше по-малко от 150 части на милион, всички дървета щяха да загинат (а това може да се случи след милиард години). С по-малко от 10 части CO₂ на милион всички растения биха загинали като цяло, а с тях и всички наистина сложни форми на живот.

На пръв поглед това би трябвало да означава, че морето е истинска шир за живот. Наистина, земните океани съдържат сто пъти повече въглероден диоксид от атмосферата. Следователно трябва да има много строителен материал за растенията.

Всъщност нищо не е по-далеч от истината. Водата в земните океани е 1,35 квинтилиона (милиарда милиарда) тона, а атмосферата е малко над пет квадрилиона (милиона милиарда) тона. Тоест има значително по-малко CO в тон вода.₂отколкото един тон въздух. Водните растения в океаните на Земята почти винаги имат много по-малко CO₂ на тяхно разположение, отколкото наземните.

За да се влошат нещата, водните растения имат добра метаболитна скорост само в топла вода. А именно в него CO₂ най-малко, защото разтворимостта му във вода намалява с повишаване на температурата. Следователно водораслите - в сравнение със сухоземните растения - съществуват при условия на постоянен колосален дефицит на CO.₂.

Ето защо опитите на учените да изчислят биомасата на земните организми показват, че морето, което заема две трети от планетата, има незначителен принос за общата биомаса. Ако вземем общата маса на въглерода - основният материал в сухата маса на всяко живо същество - жителите на земята, тогава тя е равна на 544 милиарда тона. А в телата на обитателите на моретата и океаните - само шест милиарда тона, трохи от масата на господаря, малко повече от процент.

Всичко това може да доведе до мнението, че въпреки че животът на планетите-океани е възможен, той ще бъде много, много грозен. Биомасата на Земята, ако беше покрита от един океан, при равни други условия, щеше да бъде само 10 милиарда тона по сух въглерод - петдесет пъти по-малко от сега.

Въпреки това и тук е твърде рано да се сложи край на водните светове. Факт е, че вече при налягане от две атмосфери количеството CO₂, който може да се разтвори в морска вода, се удвоява повече от два пъти (при температура 25 градуса). С атмосфери четири до пет пъти по-плътни от земните - и точно това бихте очаквали на планети като TRAPPIST-1e, g и f - във водата може да има толкова много въглероден диоксид, че водата на местните океани ще започне да се приближава земния въздух. С други думи, водните растения на планетите и океаните се намират в много по-добри условия, отколкото на нашата планета. И там, където има повече зелена биомаса, и животните имат по-добра хранителна база. Тоест, за разлика от Земята, моретата от планети-океани може да не са пустини, а оазиси на живот.

Саргасови планети

Но какво да правим, ако океанската планета, поради недоразумение, все още има плътност на земната атмосфера? И тук не всичко е толкова лошо. На Земята водораслите са склонни да се прикрепят към дъното, но там, където няма условия за това, се оказва, че водните растения могат да плуват.

Някои от саргасовите водорасли използват пълни с въздух торбички (те наподобяват грозде, откъдето идва португалската дума "sargasso" в името на Саргасово море), за да осигурят плаваемост и на теория това ви позволява да приемате CO₂ от въздуха, а не от водата, където тя е оскъдна. Поради тяхната плаваемост им е по-лесно да извършват фотосинтеза. Вярно е, че такива водорасли се възпроизвеждат добре само при доста високи температури на водата и следователно на Земята те са относително добри само на някои места, като Саргасово море, където водата е много топла. Ако океанската планета е достатъчно топла, тогава дори земната атмосферна плътност не е непреодолима пречка за морските растения. Те могат да приемат CO₂ от атмосферата, избягвайки проблемите с ниско съдържание на въглероден диоксид в топла вода.

Саргасово водорасло. Снимка: Алън МакДейвид Стодард / Photodom / Shutterstock

Интересното е, че плаващите водорасли в същото Саргасово море пораждат цяла плаваща екосистема, нещо като "плаваща земя". Там живеят раци, за които плаваемостта на водораслите е достатъчна, за да се движат по повърхността им, сякаш е земя. Теоретично, в спокойните райони на океанската планета, плаващи групи от морски растения могат да развият доста "сухопътен" живот, въпреки че няма да намерите самата земя там.

Провери си привилегията, землянино

Проблемът с идентифицирането на най-обещаващите места за търсене на живот е, че засега разполагаме с малко данни, които биха ни позволили да отделим най-вероятните носители на живот сред планетите кандидати. Само по себе си понятието "обитаема зона" не е най-добрият помощник тук. В него се считат за подходящи за живот онези планети, които получават от звездата си достатъчно количество енергия, за да поддържат течни резервоари поне на част от повърхността си. В Слънчевата система и Марс, и Земята са в обитаемата зона, но при първия сложен живот на повърхността е някак незабележим.

Най-вече защото това не е същият свят като Земята, с коренно различна атмосфера и хидросфера. Линейното представяне в стил "планетата-океан е Земята, но само покрита с вода" може да ни вкара в същата заблуда, която съществуваше в началото на 20-ти век относно годността на Марс за живот. Истинските океаниди могат да се различават рязко от нашата планета - те имат напълно различна атмосфера, различни механизми за стабилизиране на климата и дори различни механизми за снабдяване на морските растения с въглероден диоксид.

Подробното разбиране на това как всъщност работят водните светове ни позволява да разберем предварително каква ще бъде обитаемата зона за тях и по този начин бързо да се доближим до подробни наблюдения на такива планети в Джеймс Уеб и други обещаващи големи телескопи.

Обобщавайки, не може да не се признае, че доскоро нашите представи за това кои светове са наистина обитавани и кои не са страдали твърде много от антропоцентризма и геоцентризма. И, както сега се оказва, от "сушцентризъм" - мнението, че ако самите ние сме възникнали на сушата, тогава тя е най-важното място в развитието на живота и не само на нашата планета, но и в други слънца. Може би наблюденията през следващите години няма да оставят камък необърнат от тази гледна точка.