На что была бы похожа обитаемая планета в два раза больше Земли

Наука
10:00 12 ноября 2017
11


Астрономы нашли уже несколько тысяч экзопланет – некоторые из них каменистые и находятся в пределах обитаемой зоны своей звезды. Довольно большая их часть больше Земли, в связи с чем возникает вопрос: как выглядела бы обитаемая планета, превышающая Землю в два раза?

Структура

Первая сложность: в два раза больше – это не то же самое, что в два раза тяжелее. Землеподобную планету с удвоенной массой довольно просто проанализировать, но если мы удвоим радиус, тогда всё будет зависеть от того, из чего она состоит.

Обратите внимание, что если соотношение камня и воды соответствует земному, то на планете в 15 раз тяжелее, но с площадью поверхности всего в 4 раза больше, будет находится гидросфера с глубиной в 3,75 раз больше при прочих равных. А это океаны глубиной в 16 км.

Многое зависит от того, предположим ли мы, что Двойная Земля появилась на задворках Солнечной системы, в ледяной зоне, и потом продвинулась внутрь (тогда она будет очень влажной), или появилась близко к солнцу. В первом случае Влажной Двойной Земли её масса будет в 3 раза больше земной, а плотность составит 37% от земной, сила тяжести на поверхности будет равной 0,73 g, а скорость убегания – 13,6 км/с. Там будут океаны глубиной в сотни километров, окружающие каменистое ядро, покрытое тёплым льдом при большой температуре. Во втором случае Сухой Двойной Земли, её масса будет в 15 раз больше земной, плотность 167%, гравитация 3,4 g, скорость убегания – 30 км/с. Для моделирования я использовал модель Sotin et al. in Sotin, C., Grasset, O., Mocquet, A. 2007. Mass-radius curve for extrasolar Earth-like planets and ocean planets. Icarus191, 337-351.

Как велико ядро Влажной? Если его плотность будет, как у земного (5520 кг/м3), и оно будет окружено водой (1000 кг/м3), тогда радиус ядра будет в 1,22 раза больше, чем у Земли (7772 км), а радиус водного покрова – 0,78 от земного (4969 км). Это первое приближение, поскольку на нём будет корка льда под большим давлением, появляющегося при приближении давлений к 1 ГПа. Дополнительные расчёты дают мне оценку ядра с радиусом 6060 км (0,95 земного) с коркой льда в 12600 км (1,97 земного), что оставляет океаны глубиной «всего» в 160 км. Если в глубине океан холоднее, то его глубина может составить всего 104 км.

Атмосфера

Нам нужно сделать догадки по поводу атмосферы и температур. Температура серого тела с альбедо равным земному на орбите радиусом в 1 а.е. вокруг солнцеподобной звезды будет составлять 250 К, и если добавить коррекцию для парникового газа в 36 К, получим среднюю температуру в 13 °C.

Существует другое равновесное состояние, похожее на «Землю-снежок», где вся поверхность холодная и покрыта ледником (могут быть такие океанические миры, полностью покрытые льдом), и эффективно отражает энергию. С альбедо в 0,8 у нас получится температура в -15 °C. Конечно, огромные океаны в любом случае останутся жидкими, особенно поскольку точка замерзания воды понижается с давлением.

В случае Влажной шкалой высот будет 11,3 км – давление на такой высоте будет на 36% меньше. Чтобы молекулы смогли убежать, температура должна в 1,49 раз превышать земную: в этом случае водород определённо убежит, и, как мне кажется, гелий тоже (зависит от температуры экзосферы, которую сложно подсчитать). Метан и аммиак могут остаться, но при наличии жизни и кислорода они превратятся в двуокись углерода и азот.

В случае Сухой шкалой высот будет 2,4 км: облака будут плоскими и лежать близко к земле. Температура удержания в 7,5 раз превышает земную – Сухая в принципе может удержать водород. Это значит, что на ней с самого начала может скопиться более плотная атмосфера, что превратит её в газовый гигант. Однако эта планета должна была сформироваться в сухой зоне рядом со звездой, так что она могла и не набрать столько газов. Но всё равно её атмосфера должна быть плотнее, чем у Влажной.

Если предположить, что поверхностное давление пропорционально поверхностной гравитации, то на поверхности Влажной давление будет составлять 0,73 атм, а Сухой – 3,4 атм.

Тогда у Влажной плотность атмосферы будет 0,9 земной. Для людей вполне приемлемо.

Также давайте предположим, что скорость ветра будет равна земным 10 м/с – это очень сложно оценить, не запуская полную модель циркуляции. И, наконец, что маловероятно, предположим, что период обращения планеты равен 24 часа. Временная шкала излучения в 18 дней и адвекции в 14 дней – то есть, погода такая же сложная, как на Земле, и довольно быстро реагирует на сезоны (да, я неявно допустил, что наклон оси вращения тоже равен земному – в случае большего наклона ситуация станет очень странной). У Влажной будет 9-10 высотных струйных течений (у Земли их порядка 7). У Сухой плотность воздуха у поверхности в 4,3 раза превышает нашу, поэтому временные шкалы будут укорочены, а струйных течений будет порядка 10. Ничего слишком необычного.

На погоду, в том числе, влияет плавучесть. На Влажной она меньше – облака будут более высокими и будут двигаться медленно, а на Сухой высокая гравитация приведёт к тому, что небольшие изменения в плотности будут оказывать большое влияние – там будет идти более плоская и интенсивная конвекция.

Сила Кориолиса тоже будет сильнее в два раза, поэтому там будет больше зональных, а не меридиональных ветров – преобладание потоков с востока на запад над потоками с севера на юг будет большим, чем на Земле.

Количество воды в туче будет примерно пропорционально его высоте и плотности атмосферы: на Влажной и Сухой осадков в типичной туче будет больше, чем на Земле (на 30-40%, если я не ошибаюсь), и Влажная будет чуть влажнее – малая плотность воздуха компенсируется большой шкалой высот. На практике всё это зависит от более сложных аспектов атмосферы — адиабатический градиент температуры и всё такое прочее.

Град на Влажной будет ужасен, для его формирования будет достаточно расстояния. Радиус градин, вероятно, пропорционален шкале высот, поэтому крупные градины будут в 3,5 раза крупнее – но благодаря низкой гравитации весить они будут всего в 2,6 раз больше. Предельная скорость падения пропорциональна квадратному корню из гравитации, делённой на плотность, поэтому скорость градин будет составлять всего 90% от земных такого же размера. На Сухой она будет составлять 89% из-за более плотного воздуха. Но всё равно их кинетическая энергия будет в три раза большей.

Сила ураганов зависит от разницы температур между океаном и стратосферой – как это просто подсчитать, мне неизвестно. В отсутствие земли они могут длиться больше, перед тем, как уползут по направлению к полюсам, где рассеются. При достаточно сильных зональных ветрах ураганы могут стать почти постоянными – как большое красное пятно на Юпитере, но я думаю, что там будет достаточно меридианных ветров, чтобы этого не произошло.

Также я не совсем уверен по поводу того, достаточно ли сильным будет широтное перемешивание для того, чтобы полюсы грелись и не формировали полярные шапки. Подозреваю, что отсутствие земли и присутствие огромного океана с большой теплоёмкостью уменьшит формирование льда.

Если мы предположим наличие 20% кислорода, тогда на Сухой парциальное давление кислорода составит порядка 537 мм.рт.ст., что будет токсично для людей. Что хуже, парциальное давление CO2 будет равно 10,4 мм.рт.ст., что чревато гиперкапнией. Тем не менее, местная жизнь, скорее всего, эволюционирует так, чтобы справиться с этой проблемкой. Атмосфера на Влажной выглядит пригодной для людей.

Оптическая глубина атмосфер на Двойных Землях будет сравнимой с земной (поскольку, как я предположил, давление = гравитации на поверхности), поэтому видеть можно будет на то же расстояние. Вертикальная оптическая глубина будет в 1,37 раз больше Земной на Влажной: небо более молочное, но не выглядит слишком чужим. На Сухой всего в 1,1 раз – почти как обычно. При полёте на самолёте обстановка не станет тёмно-синей на какой-то чрезвычайно небольшой высоте.

Геосфера

Радиогенное тепло (при соответствии состава земному) на Сухом будет в 3,34 раза большим, чем на Земле, 0,29 Вт/м2. Недостаточно, чтобы расплавить кору и превратить её в вулканическую вакханалию Ио, но куда как более активная ситуация – толщина коры всего 3 км. Часто встречаются подводные вулканы, множество гидротермальных источников. Увеличенная плавучесть усиливает вулканическую конвекцию – глубины океана будут перемешиваться гораздо активнее, чем на Земле.

Если орбита Сухой достаточно эксцентрична, чтобы разогревать её ещё немного, вулканизма может хватить для состояния, подобного Ио, с полурасплавленной корой. Перемешиваемые океаны будут накапливать большие количества минералов, включая серу. Может получиться мир с океанами серной кислоты. Развитие жизни возможно, но на основе более затратной биохимии. На такой планете будет наблюдаться обильное испускание диоксида углерода, что усилит парниковый эффект. Подстроить параметры так, чтобы она осталась в обитаемом состоянии, будет довольно сложно.

На Влажной радиогенного тепла поменьше, чем на Земле (95%). Этого достаточно для обеспечения дрейфа континентов и перемешивания глубинной ледяной корки. Однако на поверхности льда такое перемешивание вряд ли возможно. Энергетический поток на поверхности льдя составит 0,02 Вт/м2 — недостаточно, чтобы осуществлять континентальный дрейф на каменистой планете, но, возможно, достаточно для движения льда.

Каменистые горы на Влажной будут на 5% больше, чем на Земле, но все они будут находиться на дне сверхглубокого океана под коркой льда. На Сухой их высота будет всего 29% земной – местный Эверест достигнет всего 2,4 км в высоту. Учитывая мою догадку по поводу глубины океанов, это, скорее всего, будет водный мир.

Гидросфера

Океанские волны будут двигаться по-разному. На Влажной они будут двигаться со скоростью в 85% от земной, на Сухой – 184%. Высота будет обратно пропорциональна гравитации – 136% на Влажной, 29% на Сухой. Поэтому моря будут более волнистыми, но медленными в случае Влажной (но волны будут переносить больше энергии на метр квадратный), а на Сухой они будут быстрыми и низкими.

На обоих мирах сквозь воду свет будет проникать так же, как на Земле, и зона освещённости будет составлять порядка 200 м в глубину – там, где сможет работать фотосинтез.

Большие гидросферы будут работать температурными буферами и сопротивляться температурным изменениям суточных и сезонных циклов.

Океанские течения происходят благодаря пассатам: воздух, двигаясь по экватору, и отклоняясь из-за силы Кориолиса, образовывает пассаты; при этом часть энергии ветра передаётся воде. Так получаются течения сходные с теми, что имеются в центральной части Тихого океана: северное и южное экваториальное течение, идущее на запад, а между ними – противоположное течение, направленное на восток. Ближе к северу могут появиться закрученные вихри, или, возможно, другие течения, направленные на восток или запад. Если течения в основном идут на восток или запад, то температурные различия между экватором и полюсами будут больше, что приведёт к сильной конвекции – более холодная вода погружается в полярных регионах и всплывает у экватора. В отдалении от экватора будут возникать Экмановские потоки на глубинах до 100 м, что усложнит всю систему циркуляции.

Океаны будут слоистыми, поскольку менее плотные тёплые воды будут лежать на более плотных холодных (и даже вулканическая активность на Сухой обеспечит гораздо меньше разогрева снизу, чем сверху). Ветра и разница в солёности из-за испарений будут приводить к поверхностной конвекции, но глубинные слои будут оставаться на месте. Полярные воды могут простираться до самого дна, по крайней мере, на Сухой. Но подводных гор, смешивающих слои, или глубинных потоков, порождаемых континентами, не будет. Во внутритропической зоне конвергенции (Intertropical Convergence Zone, ITCZ) вдоль экватора будут наблюдаться восходящие потоки, которые, по крайней мере, на Сухой, будут служить главным источником богатой питательными веществами воды. На Влажной океан будет таким глубоким, что течения, порождённые ветрами, не будут слишком глубокими, и восходящие течения будут не такими полезными.

Вулканизм может оказаться главным фактором, приводящим к появлению восходящих течений или глубинной воды, богатой минералами: даже небольшой разницы температур достаточно для появления восходящего потока. Восходящие с больших глубин потоки будут подвержены силе Кориолиса. Это происходит и на Земле, но на Влажной эффекты будут гораздо сильнее, поскольку потокам придётся проходить большую долю планетарного радиуса. При движении вверх они будут отклоняться к западу, а также приобретать вращательный момент, если они находятся не на экваторе.

В целом океаны будут не такими солёными, как на Земле, ибо там не будет континентов, выщелачиваемых чистым дождём – вся растворённая соль будет результатом вулканизма и медленного выравнивания с открытой корой. Влажная будет особенно пресной – вода там не будет контактировать с корой, а общий объём воды гораздо больше, чем на Сухой.

Биосфера

Поверхностные биосферы Сухой и Влажной могут работать так же, как биосфера открытого моря на Земле. Фотосинтез водорослей будет основой пищевой цепочки, в которой различные формы планктона и больших организмов будут питаться ими и друг другом. Как на Земле, большая часть биомассы расположится в освещаемом поверхностном слое, а в глубинах будут скрываться более редкие детритофаги и хищники.

Как и в земных океанах, гравитационных ограничений на размер организмов там не будет – только экологические ограничения (большим животным нужно больше еды и больше времени для взросления, поэтому в какой-то момент у них наступит сокращение способностей к сбору еды и вероятность выживания с последующим воспроизведением) [также есть вопрос отвода тепла, хотя они и живут в более плотной среде, чем воздух – прим. перев.]. Вертикальные поверхностные растения на Сухой будут на треть меньше, чем на Земле из-за гравитации.

В нижней части могут существовать экологические ниши на основе гидротермальных источников. На Влажной горячей воде нужно будет преодолеть толстую ледяную кору, и их структура (и вообще вероятность наличия) будет зависеть от того, как ведёт себя лёд при высоком давлении – об этом я не имею представления. Интересной возможностью будут литоавтотрофы, похожие на земные, живущие в ледяных расщелинах. На Сухой биология будет похожей на земную.

Заметьте, что для таких экосистем кислород практически не нужен: на Земле они используют доступный кислород, но с достаточно сильными химическими потоками из вулканов можно поддерживать жизнь и другими способами. К примеру, земные анаммоксные бактерии превращают аммиак в азот при помощи нитритов вместо кислорода. Thiobacillus denitrificans превращают серу в сульфаты при помощи нитратов, водородные бактерии превращают водород в воду при помощи сульфатов, фосфитные бактерии превращают фосфиты в фосфаты при помощи сульфатов, метаногены превращают водород в воду при помощи двуокиси углерода, а карбоксидобактерии превращают оксид углерода в диоксид углерода, превращая при этом воду водород.

Большой проблемой жизни на Влажной будет недостаток солей. Большая часть земной жизни построена на базе CHON, но ей необходимо поглощать и другие элементы для особых ферментов и молекул. Скорее всего жизнь выработает структуры, улавливающие более редкие тяжёлые атомы, как земные сидерофоры. У клеток будут проблемы с осмосом – если концентрация растворов выше, чем у морской воды, то молекулы воды будут всасываться внутрь и угрожать клеткам разрывом. Им необходимо постоянно откачивать воду для поддержания стабильности – как организмам, живущим в пресной воде. Осмоконформеры, поддерживающие концентрацию, совпадающую с окружающей, будут обладать клетками большего размера с меньшей скоростью реакции.

И хотя площадь поверхности на обоих планетах будут превышать земную в четыре раза, видов животных там будет меньше. Сухая может поддерживать по меньшей мере две почти независимых экосистемы-слоя и что-нибудь между ними. Разовьётся ли там разум – кто знает.

Источник: geektimes.ru/post/295283/

Вам может быть интересно