Экзопланеты, на которых мало воды, не могут поддерживать свой углеродный цикл

Фото из открытых источников

Насколько нам известно, жидкая вода является основным компонентом жизни. Поиск обитаемых экзопланет сосредоточен именно на этом факте. Ученые, изучающие экзопланеты, анализируют данные, пытаясь определить, какие миры могут находиться в обитаемых зонах своих звезд — зонах с достаточным количеством энергии звезды для поддержания наличия жидкой воды на поверхности.

Но вопрос наличия воды на экзопланетах не является бинарным. Определение обитаемости не так просто, как определение того, есть ли на экзопланете вода или нет. Экзопланета с небольшим количеством воды может быть непригодна для жизни независимо от того, находится она в обитаемой зоне или нет. Земля, единственная известная нам обитаемая планета, зависит от своего углеродного цикла для поддержания обитаемости. Углеродный цикл зависит от воды, и экзопланеты без достаточного количества воды вряд ли смогут поддерживать свой углеродный цикл, что делает перспективы долгосрочной обитаемости мрачными. Но сколько воды достаточно?

В новом исследовании, опубликованном в журнале The Planetary Science Journal, рассматривается содержание воды, необходимое для обитаемости экзопланет, похожих на пустыни. Статья называется «Дисбаланс углеродного цикла на засушливых планетах земной группы с последствиями для Венеры». Ведущий автор — Хаскелле Уайт-Джанелла из Вашингтонского университета.

«Засушливые экзопланеты земной группы потенциально многочисленны и, следовательно, представляют интерес в поисках жизни», — пишут авторы. «На современной Земле достаточно поверхностной воды для сбалансированного геологического углеродного цикла, то есть выветривание силикатов уравновешивает вулканическое выделение CO2. Однако на засушливых планетах может не хватать поверхностной воды для поддержания пригодных для жизни условий благодаря этому термостату выветривания силикатов».

Водяной пар в атмосфере Земли соединяется с углекислым газом, образуя угольную кислоту. Угольная кислота слабая и нестабильная, но она делает всю дождевую воду слегка кислой. В геологических масштабах времени она играет решающую роль в цикле выветривания угольной кислоты и силикатов на Земле, также называемом циклом Урея. Это ветвь углеродного цикла планеты.

Этот цикл и удаляет углерод из атмосферы в течение длительных периодов времени. Слабая кислота растворяет силикатные породы, и сточные воды попадают в океаны. Они оседают на дне океана, где тектоника плит в конечном итоге затягивает их под землю. Именно так атмосферный углерод связывается в горных породах Земли. Без этого цикла углерод постоянно накапливался бы в атмосфере, что привело бы к неуправляемому парниковому эффекту (привет, Венера).

На Земле достаточно воды для поддержания круговорота. Но как быть с засушливыми мирами, которые, как пишут авторы, «потенциально богаты» водой? Как засушливые планеты, содержание воды и цикл Урея влияют на наши поиски обитаемых мест?

«Когда вы ищете жизнь в бескрайних просторах Вселенной, располагая ограниченными ресурсами, вам приходится отсеивать некоторые планеты», — объясняет Уайт-Джанелла. «Нас интересовали засушливые планеты с очень ограниченным запасом воды на поверхности — гораздо меньше, чем один океан на Земле. Многие из этих планет находятся в обитаемой зоне своей звезды, но мы не были уверены, могут ли они быть действительно обитаемыми», — сказала Уайт-Джанелла.

Исследователи разработали подробные модели, чтобы попытаться понять засушливые планеты и их способность поддерживать критически важный карбонатно-силикатный цикл. «Мы моделируем эволюцию геологического углеродного цикла, отслеживая потоки воды и углерода между внутренними слоями и системой атмосфера-океан», — пишут авторы.

Моделирование основано на 18 переменных, включая такие факторы, как скорость утечки водорода из атмосферы, скорость вулканической дегазации, доля поверхности планеты, покрытая сушей, общая температура, концентрация минералов в свежих породах, пористость пород, доля дождевой воды, превращающейся в поверхностный сток, и многое другое. Моделирование основано на нашем растущем понимании углеродного цикла Земли и того, как он поддерживает ее температуру.

«Эти сложные, механистические модели углеродного цикла возникли в результате попыток понять, как работал — или не работал — термостат Земли, регулируя температуру с течением времени», — сказал соавтор исследования Джошуа Криссанен-Тоттон из Вашингтонского университета.

К сожалению для пустынных миров, в большинстве из них недостаточно воды для поддержания цикла Урея.

«Наши результаты показывают, что на засушливых планетах земной группы могут наблюдаться несбалансированные геологические циклы углерода из-за ограничений стока, препятствующих выветриванию, что может привести к потере обитаемости и неконтролируемому потеплению. Даже если планета находится в зоне обитаемости, она может перейти в непригодное для жизни состояние, если у нее недостаточно первоначальной поверхностной воды для балансировки потоков дегазации и выветривания», — поясняют авторы.

«Поэтому, к сожалению, эти засушливые планеты, находящиеся в обитаемых зонах, вряд ли являются подходящими кандидатами для существования жизни», — говорит Уайт-Джанелла.

Засушливая планета всё ещё способна поддерживать важнейший цикл Урея. Ей не нужно столько воды, сколько Земле, но всё же требуется значительное её количество.

«Здесь мы показываем, что засушливые планеты вступают в режим, где выветривание не может угнаться за вулканической дегазацией CO2», — пишут авторы. «Используя сопряженную модель геологического углеродного цикла, мы обнаружили, что для поддержания сбалансированного геологического углеродного цикла и умеренной температуры поверхности на протяжении 4,5 млрд лет эволюции земным планетам, подобным Земле, требуется начальный запас воды на поверхности, составляющий не менее ~20–50% от массы земного океана».

Эти результаты могут многое рассказать нам об известных экзопланетах TRAPPIST-1. Они важны, потому что четыре из семи, по-видимому, находятся в обитаемой зоне своей звезды. На их поверхности может быть ограниченное количество воды, но неясно, так ли это и в каком количестве. Они могут служить тестовыми примерами для такого рода исследований или, по крайней мере, помочь установить некоторые ограничения.

К сожалению, очень сложно определить, что происходит на далёких засушливых экзопланетах. Это приводит нас к Венере.

Возможно, на Венере изначально была вода. Но авторы отмечают, что, поскольку она находится гораздо ближе к Солнцу, её запасов воды могло быть меньше, чем на Земле. Это означало, что геологический углеродный цикл планеты был несбалансирован. Без осадков углерод накапливался в атмосфере Венеры, повышая температуру поверхности. В итоге Венера потеряла воду, и если на планете и существовала какая-либо простая жизнь, она исчезла.

Эта работа показывает, что наше простое определение обитаемой зоны — лишь отправная точка. Обитаемость — это гораздо больше, чем просто близость к звезде, просто на данный момент мы можем измерить только это. «Даже если планета находится в обитаемой зоне своей звезды, если она засушливая, она может перейти в непригодное для жизни состояние из-за несбалансированного углеродного цикла», — пишут исследователи.

Эти результаты согласуются с растущим пониманием того, что многие планеты могут быть обитаемы в течение более коротких периодов времени и даже способны к развитию простой жизни. Но для долговременной обитаемости, которая приводит к возникновению сложной жизни и формированию цивилизаций, подобных нашей, вода имеет решающее значение.

Понимание этой проблемы за пределами моделирования затруднено, поскольку у нас нет доступа к засушливым экзопланетам. Мы можем лишь наблюдать за ними издалека и пытаться измерить их атмосферы. Ситуация может измениться, если НАСА построит Обсерваторию обитаемых миров. «Наши результаты, связывающие размер водного резервуара с долгосрочным климатом, потенциально можно будет проверить с помощью будущей Обсерватории обитаемых миров, которая позволит определить обитаемость поверхности и долю суши с помощью спектроскопии отраженного света», — пишут авторы.

Но Венера может предоставить лучшие возможности.

«Маловероятно, что мы сможем посадить что-либо на поверхность экзопланеты при нашей жизни, но Венера — наш ближайший сосед — пожалуй, является лучшим аналогом экзопланеты», — говорит Уайт-Джанелла.

Исследователи надеются, что результаты будущих миссий помогут подтвердить результаты их моделирования. «Это имеет значение для многих потенциально пригодных для жизни территорий», — добавляет Криссанен-Тоттон.

Но на данный момент полученные результаты могут помочь нам в наших поисках жизни в других местах.

«В более широком смысле, засушливые экзопланеты земной группы с меньшей вероятностью останутся обитаемыми в течение длительных периодов времени и, следовательно, могут быть плохими кандидатами для поиска биосигнатур», — пишут авторы.