Су планеталарында өмір сүру мүмкіндігі

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-16 16:10

Біз білетін планеталардың көпшілігі массасы бойынша Жерден үлкен, бірақ Сатурннан аз. Көбінесе олардың арасында «мини-нептундар» және «супер-жер» - біздің планетамыздан бірнеше есе массасы бар объектілер бар. Соңғы жылдардағы ашылулар супер-Жерді құрамы біздікінен мүлде басқа планеталар деп санауға көбірек негіз береді. Оның үстіне, басқа жүйелердегі жер планеталары Жерден әлдеқайда бай жеңіл элементтер мен қосылыстармен, соның ішінде сумен ерекшеленетіні белгілі болды. Бұл олардың өмірге қаншалықты жарамды екенін білуге жақсы себеп.

Бұрынғы Жер мен Жер арасындағы жоғарыда айтылған айырмашылықтар Әлемдегі барлық жұлдыздардың төрттен үш бөлігі қызыл ергежейлі, Күннен әлдеқайда аз шамдар болатындығымен түсіндіріледі. Бақылаулар көрсеткендей, олардың айналасындағы планеталар көбінесе өмір сүруге жарамды аймақта болады, яғни олар өз жұлдызынан Күннен Жердің энергиясымен бірдей энергия алады. Сонымен қатар, қызыл ергежейлілердің өмір сүру аймағында өте көп планеталар жиі кездеседі: TRAPPIST-1 жұлдызының «Алтын құлыптар белдеуінде», мысалы, бірден үш планета бар.

Және бұл өте біртүрлі. Қызыл ергежейлілердің тіршілік ету аймағы Күн жүйесіндегідей 150-225 миллион емес, жұлдыздан миллиондаған шақырым қашықтықта орналасқан. Сонымен қатар, бірнеше планеталар өз жұлдыздарынан миллиондаған шақырым қашықтықта бірден пайда бола алмайды - оның протопланетарлық дискінің өлшемі мүмкіндік бермейді. Иә, қызыл ергежейлі біздің Күн сияқты сарыдан аз, бірақ жүз, тіпті елу есе емес.

Жағдайды астрономдардың алыстағы жұлдыздардағы планеталарды азды-көпті дәл «өлшеуді» үйренгендігі одан әрі қиындатады. Содан кейін олардың массасы мен өлшемін байланыстыратын болсақ, мұндай планеталардың тығыздығы Жердікінен екі, тіпті үш есе аз болатыны белгілі болды. Ал егер бұл планеталар олардың жұлдыздарынан миллиондаған шақырым жерде пайда болса, бұл, негізінен, мүмкін емес. Өйткені мұндай тығыз орналасу кезінде шамның сәулеленуі жарық элементтерінің негізгі бөлігін сыртқа шығаруы керек.

Бұл, мысалы, Күн жүйесінде болған жағдай. Жерді қарастырайық: ол өмір сүруге жарамды аймақта пайда болды, бірақ оның массасындағы су мыңнан астам емес. Егер қызыл ергежейлілердегі бірқатар әлемдердің тығыздығы екі-үш есе төмен болса, онда су 10 пайыздан кем емес, тіпті одан да көп. Яғни, жердегіден жүз есе көп. Демек, олар тіршілік ету аймағынан тыс қалыптасып, содан кейін ғана сонда қоныс аударды. Жұлдыздық сәулелену үшін протопланетарлық дискінің жарықтандырғышқа жақын аймақтарының жеңіл элементтерінен айыру оңай. Бірақ протопланетарлық дискінің алыс бөлігінен қоныс аударған дайын планетаны жеңіл элементтерден айыру әлдеқайда қиын - ондағы төменгі қабаттар жоғарғы қабаттармен қорғалған. Ал судың жоғалуы сөзсіз өте баяу. Тіршілік ету аймағындағы әдеттегі супер-жер, мысалы, Күн жүйесінің бүкіл өмір сүруі кезінде судың жартысын да жоғалта алмайды.

Сонымен, Ғаламдағы ең массивті жұлдыздарда көбінесе суы көп планеталар болады. Бұл, сірә, мұндай планеталар Жерге қарағанда әлдеқайда көп дегенді білдіреді. Сондықтан мұндай жерлерде күрделі тіршіліктің пайда болуы мен дамуы мүмкін бе, соны анықтаған дұрыс.

Көбірек минералдар қажет

Міне, үлкен мәселелер осыдан басталады. Күн жүйесінде судың көп мөлшері бар супер-жерлердің жақын аналогтары жоқ және бақылау үшін қол жетімді мысалдар болмағандықтан, планета ғалымдарының сөзбе-сөз бастайтын ештеңесі жоқ. Біз судың фазалық диаграммасын қарап, мұхит планеталарының әртүрлі қабаттары үшін қандай параметрлер болатынын анықтауымыз керек.

Су күйінің фазалық диаграммасы. Мұз түрлендірулері рим цифрларымен көрсетіледі. Жердегі мұздың барлығы дерлік I топқа жатады_h, ал өте аз фракция (атмосфераның жоғарғы қабатында) - И_в… Сурет: AdmiralHood / wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0

Көлемі Жер планетасында мұндағыдан 540 есе көп су болса, оны тереңдігі жүз шақырымнан астам мұхит толығымен жауып тастайтыны белгілі болды. Мұндай мұхиттардың түбінде қысым соншалықты үлкен болады, мұндай фазаның мұзы пайда бола бастайды, ол тіпті өте жоғары температурада қатты болып қалады, өйткені су үлкен қысыммен қатты ұсталады.

Планетарлық мұхиттың түбі қалың мұз қабатымен жабылса, сұйық су қатты силикат жыныстарымен жанасудан айырылады. Мұндай байланыссыз ондағы минералдар, шын мәнінде, ешқайда шықпайды. Сорақысы, көміртегі айналымы бұзылады.

Минералдардан бастайық. Фосфорсыз тіршілік – бізге белгілі формаларда – болуы мүмкін емес, өйткені онсыз нуклеотидтер және сәйкесінше ДНҚ жоқ. Кальцийсіз қиын болады - мысалы, біздің сүйектеріміз гидроксилапатиттен тұрады, ол фосфор мен кальцийсіз жасай алмайды. Кейбір элементтердің болуымен байланысты мәселелер кейде Жерде туындайды. Мысалы, Австралия мен Солтүстік Американың бірқатар елді мекендерінде жанартаулық белсенділіктің әдеттен тыс ұзақ болмауы және кейбір жерлерде топырақта селеннің қатты жетіспеушілігі байқалды (ол өмірге қажетті амин қышқылдарының бір бөлігі болып табылады).. Осыдан сиырлар, қойлар мен ешкілерде селен жетіспейді, кейде бұл малдың қырылуына әкеледі (АҚШ пен Канадада мал азығына селенитті қосу тіпті заңмен реттеледі).

Кейбір зерттеушілер пайдалы қазбалардың болуының жай ғана факторы мұхит-планеталарды өмір бар болса, өте сирек кездесетін нағыз биологиялық шөлдерге айналдыруы керек деп болжайды. Біз шын мәнінде күрделі формалар туралы айтып отырған жоқпыз.

Сынған кондиционер

Минералды тапшылықтардан басқа, теоретиктер мұхит-планеталардың екінші ықтимал проблемасын анықтады - біріншіден де маңыздырақ. Біз көміртегі цикліндегі ақаулар туралы айтып отырмыз. Біздің планетада ол салыстырмалы түрде тұрақты климаттың болуының негізгі себебі болып табылады. Көміртегі айналымының принципі қарапайым: планета тым салқындаған кезде көмірқышқыл газын тау жыныстарымен сіңіру күрт баяулайды (мұндай сіңіру процесі тек жылы ортада тез жүреді). Сонымен бірге жанартау атқылауымен көмірқышқыл газының «жеткізу» бірдей қарқынмен жүріп жатыр. Газдың байланысуы төмендегенде және беру азаймаса, CO₂ концентрациясы табиғи түрде көтеріледі. Планеталар, өздеріңіз білетіндей, планетааралық кеңістіктің вакуумында және олар үшін жылуды жоғалтудың жалғыз маңызды жолы - оның инфрақызыл толқындар түріндегі сәулеленуі. Көмірқышқыл газы планетаның бетінен мұндай радиацияны сіңіреді, сондықтан атмосфера аздап қызады. Бұл мұхиттардың су бетінен су буын буландырады, ол сондай-ақ инфрақызыл сәулелерді (басқа парниктік газ) сіңіреді. Нәтижесінде планетаны жылыту процесінде негізгі бастамашы ретінде әрекет ететін CO₂ болып табылады.

Дәл осы механизм Жердегі мұздықтардың ерте ме, кеш пе аяқталуына әкеледі. Ол сондай-ақ оның қызып кетуіне жол бермейді: шамадан тыс жоғары температурада көмірқышқыл газы тау жыныстарымен тезірек байланысады, содан кейін жер қыртысының плиталарының тектоникасына байланысты олар біртіндеп мантияға батады. CO деңгейі₂құлап, климат салқындайды.

Бұл механизмнің біздің планета үшін маңыздылығын асыра бағалау мүмкін емес. Көміртекті кондиционердің бұзылуын бір секундқа елестетіп көріңіз: жанартаулар атқылауды тоқтатты және енді бір кездері ескі континенттік тақталармен бірге түскен Жер қойнауынан көмірқышқыл газын жеткізе алмайды. Ең бірінші мұз басу сөзбе-сөз мәңгілікке айналады, өйткені планетада мұз неғұрлым көп болса, ол ғарышқа көбірек күн радиациясын көрсетеді. Және CO жаңа бөлігі₂ планетаны мұздан шығара алмайды: оның қайдан келетіні болмайды.

Теориялық тұрғыдан алғанда, мұхит планеталарында дәл осылай болуы керек. Тіпті жанартаулық белсенділік кейде планеталық мұхиттың түбіндегі экзотикалық мұздың қабығын жарып өтуі мүмкін болса да, оның жақсылығы шамалы. Шынында да, теңіз әлемінің бетінде артық көмірқышқыл газын байланыстыратын тау жыныстары жоқ. Яғни, оның бақыланбайтын жинақталуы басталуы мүмкін және, тиісінше, планетаның қызып кетуі.

Осыған ұқсас нәрсе - шын, планеталық мұхитсыз - Венерада болды. Бұл планетада плиталардың тектоникасы да жоқ, бірақ бұл неліктен болғаны нақты белгісіз. Сондықтан жанартау атқылауы кейде жер қыртысын жарып өтіп, атмосфераға көп көмірқышқыл газын салады, бірақ оның беті оны байланыстыра алмайды: континенттік тақталар батып кетпейді және жаңалары көтерілмейді. Сондықтан, қолданыстағы плиталардың беті қазірдің өзінде барлық СО-ны байланыстырды₂, ол көбірек сіңіре алатын және сіңіре алмайды және Венерада ол соншалықты ыстық, сондықтан қорғасын ол жерде әрқашан сұйықтық болып қала береді. Бұл, модельдеуге сәйкес, Жер атмосферасы мен көміртегі айналымымен бұл планета Жердің өмір сүруге жарамды егізі болатынына қарамастан.

Кондиционерсіз өмір бар ма?

«Жер бетіндегі шовинизмді» сынаушылар (өмір тек «Жер көшірмелерінде, жер бетіндегі жағдайлары қатаң планеталарда болуы мүмкін» деген ұстаным) бірден сұрақ қойды: неліктен, шын мәнінде, бәрі пайдалы қазбаларды бұза алмайды деп шешті. экзотикалық мұз қабаты? Ыстық нәрсенің үстіндегі қақпақ неғұрлым күшті және өтпейтін болса, оның астында соғұрлым көп энергия жиналады, ол жарылып кетуге бейім. Міне, сол бір Венера – плиталардың тектоникасы жоқ сияқты, ал көмірқышқыл газы тереңдіктен соншалықты мөлшерде шықты, сөздің тура мағынасында одан өмір жоқ. Демек, пайдалы қазбаларды жоғары қарай шығару кезінде де мүмкін - жанартау атқылауы кезінде қатты жыныстар толығымен жоғары қарай құлайды.

Дегенмен, тағы бір мәселе қалады - көміртегі циклінің «сынған кондиционері». Онсыз мұхит планетасы өмір сүре ала ма?

Күн жүйесінде көмірқышқыл газы климаттың негізгі реттеушісі рөлін мүлдем атқармайтын көптеген денелер бар. Міне, айталық, Титан, Сатурнның үлкен серігі.

Титан. Фото: NASA / JPL-Caltech / Стефан Ле Муэлич, Нант университеті, Вирджиния Пасек, Аризона университеті

Дене Жер массасымен салыстырғанда шамалы. Дегенмен, ол Күннен алыс жерде пайда болды, ал люминатордың сәулеленуі одан жеңіл элементтерді, соның ішінде азотты «буландырмады». Бұл Титанға дерлік таза азоттың атмосферасын береді, бұл біздің планетада үстемдік ететін газ. Бірақ оның азот атмосферасының тығыздығы біздікінен төрт есе көп - ауырлық күшімен ол жеті есе әлсіз.

Титанның климатына бір қарағанда, оның тікелей түрінде «көміртекті» кондиционері болмаса да, оның өте тұрақты екендігі туралы тұрақты сезім бар. Титанның полюсі мен экваторы арасындағы температура айырмашылығы небәрі үш градус екенін айтсақ та жеткілікті. Егер Жердегі жағдай бірдей болса, планетаның халқы әлдеқайда біркелкі және өмір сүруге қолайлырақ болар еді.

Сонымен қатар, бірқатар ғылыми топтардың есептеулері көрсеткендей: атмосфераның тығыздығы Жерден бес есе жоғары, яғни Титанға қарағанда төрттен бір есе жоғары, тіпті азоттың парниктік әсері температура ауытқуларының төмендеуі үшін жеткілікті. нөлге жуық. Мұндай планетада күн мен түн, экваторда да, полюсте де температура әрқашан бірдей болады. Жердегі өмір мұндай нәрсені армандай алады.

Тығыздығы бойынша мұхиттар-планеталар Жерде емес (5,51 г/см³) Титан деңгейінде (1,88 г/см³). Айталық, бізден 40 жарық жыл қашықтықтағы TRAPPIST-1 тіршілік ету аймағындағы үш планетаның тығыздығы 1,71-ден 2,18 г/см³-ге дейін. Басқаша айтқанда, мұндай планеталар азоттың арқасында тұрақты климатқа ие болу үшін азот атмосферасының жеткілікті тығыздығына ие болуы мүмкін. Көмірқышқыл газы оларды қызып тұрған Венераға айналдыра алмайды, өйткені судың шын мәнінде үлкен массасы тіпті плиталардың тектоникасынсыз көп көмірқышқыл газын байланыстыра алады (көмірқышқыл газы сумен жұтылады және қысым неғұрлым жоғары болса, соғұрлым оның құрамында болуы мүмкін.).

Терең теңіз шөлдері

Гипотетикалық жерүсті бактериялары мен архейлермен бәрі қарапайым болып көрінеді: олар өте қиын жағдайларда өмір сүре алады және бұл үшін оларға көптеген химиялық элементтердің көптігі мүлде қажет емес. Өсімдіктермен және олардың есебінен өмір сүретін жоғары ұйымдастырылған өмірмен қиынырақ.

Сонымен, мұхит планеталары тұрақты климатқа ие болуы мүмкін - Жерге қарағанда тұрақтырақ. Сондай-ақ суда еріген минералдардың айтарлықтай мөлшері болуы мүмкін. Дегенмен, онда өмір мүлде Shrovetide емес.

Жерге назар аударайық. Соңғы миллиондаған жылдарды қоспағанда, оның жері өте жасыл, шөлдердің қоңыр немесе сары дақтары жоқ дерлік. Бірақ кейбір тар жағалау аймақтарын қоспағанда, мұхит мүлдем жасыл болып көрінбейді. Неге бұлай?

Мәселе мынада, біздің планетада мұхит биологиялық шөл болып табылады. Тіршілік үшін көмірқышқыл газы қажет: ол өсімдік биомассасын «салады» және тек одан жануарлар биомассасын тамақтандыруға болады. Айналамыздағы ауада CO бар болса₂ қазіргідей 400 промилледен астам, өсімдіктер гүлдеп жатыр. Егер ол миллионға 150 бөліктен аз болса, барлық ағаштар өлетін еді (және бұл миллиард жылдан кейін болуы мүмкін). СО 10 бөліктен аз₂ миллионға шаққандағы барлық өсімдіктер өледі және олармен бірге өмірдің шын мәнінде күрделі формалары.

Бір қарағанда, бұл теңіздің өмірдің нағыз кеңістігі екенін білдіруі керек. Шынында да, жер мұхиттарында көмірқышқыл газы атмосфераға қарағанда жүз есе көп. Сондықтан өсімдіктерге арналған құрылыс материалы көп болуы керек.

Шындығында, шындықтан басқа ештеңе жоқ. Жер мұхитындағы су 1,35 квинтиллион (миллиард миллиард) тонна, ал атмосфера бес квадриллион (миллиард миллиард) тоннадан сәл ғана асады. Яғни, бір тонна суда айтарлықтай аз СО бар.₂тонна ауадан артық. Жер мұхиттарындағы су өсімдіктерінде әрқашан дерлік CO әлдеқайда аз болады₂ жердегілерге қарағанда олардың иелігінде.

Ең сорақысы, су өсімдіктері тек жылы суда жақсы метаболизмге ие. Атап айтқанда, онда CO₂ ең аз, өйткені оның суда ерігіштігі температураның жоғарылауымен төмендейді. Сондықтан балдырлар - жердегі өсімдіктермен салыстырғанда - тұрақты үлкен СО тапшылығы жағдайында өмір сүреді.₂.

Сондықтан ғалымдардың жердегі организмдердің биомассасын есептеу әрекеттері планетаның үштен екі бөлігін алып жатқан теңіздің жалпы биомассаға елеусіз үлес қосатынын көрсетеді. Егер кез келген тірі тіршілік иесінің – жер тұрғындарының құрғақ массасындағы негізгі материал – көміртектің жалпы массасын алсақ, онда ол 544 миллиард тоннаға тең болады. Ал теңіздер мен мұхиттардың тұрғындарының денесінде – небәрі алты миллиард тонна, қожайынның дастарханынан алынған үгінділер, пайыздан сәл артық.

Мұның бәрі мұхит-планеталарда өмір болуы мүмкін болса да, бұл өте жағымсыз болады деген пікірге әкелуі мүмкін. Жердің биомассасы, егер оны бір мұхит жауып тұрса, қалғандарының бәрі тең болса, құрғақ көміртегімен есептегенде небәрі 10 миллиард тонна - қазіргіден елу есе аз болар еді.

Дегенмен, бұл жерде де су әлеміне нүкте қою әлі ерте. Өйткені, қазірдің өзінде екі атмосфераның қысымында СО мөлшері₂, теңіз суында еруі мүмкін, екі еседен астам (25 градус температура үшін). Атмосфералардың тығыздығы Жердікінен төрт-бес есе тығыз болғандықтан – бұл TRAPPIST-1e, g және f сияқты планеталардан күтетін нәрсе – суда көмірқышқыл газының көп болуы мүмкін, сондықтан жергілікті мұхиттардың суы жақындай бастайды. жердің ауасы. Басқаша айтқанда, планеталар мен мұхиттардағы су өсімдіктері біздің планетамызға қарағанда әлдеқайда жақсы жағдайда болады. Жасыл биомасса көп, ал жануарларда жақсы қоректік база бар. Яғни, Жерге қарағанда, мұхит-планеталардың теңіздері шөлдер емес, өмір оазистері болуы мүмкін.

Саргассо планеталары

Бірақ егер мұхит планетасы түсінбеушілікке байланысты әлі де Жер атмосферасының тығыздығына ие болса, не істеу керек? Ал мұнда бәрі жаман емес. Жер бетінде балдырлар түбіне жабысады, бірақ бұл үшін жағдай жоқ жерде су өсімдіктері жүзе алады.

Кейбір саргасс балдырлары қалқығыштықты қамтамасыз ету үшін ауа толтырылған қаптарды (олар жүзімге ұқсайды, демек, Саргассо теңізінің атауында португалдық «sargasso» сөзі) пайдаланады және теориялық тұрғыдан бұл CO қабылдауға мүмкіндік береді.₂ ол тапшы судан емес, ауадан. Қалқымалылығының арқасында оларға фотосинтез жасау оңайырақ. Рас, мұндай балдырлар өте жоғары су температурасында ғана жақсы көбейеді, сондықтан Жерде олар кейбір жерлерде, мысалы, суы өте жылы болатын Саргассо теңізінде салыстырмалы түрде жақсы. Егер мұхит планетасы жеткілікті жылы болса, онда тіпті жердің атмосфералық тығыздығы теңіз өсімдіктері үшін еңсерілмейтін кедергі емес. Олар CO қабылдауы мүмкін₂ жылы судағы төмен көмірқышқыл газының проблемаларын болдырмай, атмосферадан.

Саргассо балдырлары. Сурет: Аллен МакДэвид Стоддард / Фотодом / Shutterstock

Бір қызығы, сол Саргассо теңізіндегі қалқымалы балдырлар «қалқымалы жер» сияқты тұтас қалқымалы экожүйені тудырады. Онда шаяндар өмір сүреді, олар үшін балдырлардың жүзгіштігі олардың бетінде жердегідей қозғалуға жеткілікті. Теориялық тұрғыдан алғанда, мұхит планетасының тыныш аймақтарында теңіз өсімдіктерінің қалқымалы топтары айтарлықтай «құрлық» өмірді дамыта алады, бірақ сіз ол жерде жер таба алмайсыз.

Артықшылығыңызды тексеріңіз, жерлесім

Тіршілікті іздеу үшін ең перспективалы орындарды анықтау мәселесі мынада: әзірге бізде үміткер планеталар арасында өмірдің ең ықтимал тасымалдаушыларын бөліп көрсетуге мүмкіндік беретін деректер аз. Өздігінен «тұрмыстық аймақ» ұғымы мұнда ең жақсы көмекші емес. Онда бұл планеталар өз жұлдызынан кем дегенде бетінің бір бөлігіндегі сұйық резервуарларды қолдау үшін жеткілікті мөлшерде энергия алатын өмірге жарамды деп саналады. Күн жүйесінде Марс та, Жер де өмір сүруге жарамды аймақта, бірақ жер бетіндегі алғашқы күрделі тіршілік қандай да бір түрде байқалмайды.

Негізінен бұл Жер сияқты емес, атмосферасы мен гидросферасы түбегейлі басқаша. «Планета-мұхит – бұл Жер, бірақ тек сумен жабылған» стиліндегі сызықтық бейнелеу бізді 20 ғасырдың басында Марстың өмір сүруге жарамдылығы туралы болған адасуға әкелуі мүмкін. Нағыз мұхиттар біздің планетадан күрт ерекшеленуі мүмкін - оларда мүлдем басқа атмосфера, әртүрлі климатты тұрақтандыру механизмдері және тіпті теңіз өсімдіктерін көмірқышқыл газымен қамтамасыз етудің әртүрлі механизмдері бар.

Су әлемдерінің іс жүзінде қалай жұмыс істейтінін егжей-тегжейлі түсіну бізге олар үшін өмір сүруге болатын аймақтың қандай болатынын алдын ала түсінуге мүмкіндік береді және осылайша Джеймс Уэбб пен басқа да перспективалы үлкен телескоптардағы мұндай планеталарды егжей-тегжейлі бақылауға жылдам жақындауға мүмкіндік береді.

Қорытындылай келе, соңғы кезге дейін қай әлемдер мекендейтіні және қайсысы жоқ екендігі туралы идеяларымыз антропоцентризм мен геоцентризмнен тым көп зардап шеккенін мойындамасқа болмайды. Ал, енді белгілі болғандай, «сушцентризмнен» - егер біз өзіміз құрлықта пайда болған болсақ, онда бұл біздің планетамызда ғана емес, басқа күндерде де өмірдің дамуындағы ең маңызды орын деген пікір. Бәлкім, алдағы жылдардағы бақылаулар бұл тұрғыдан алғанда да тас қалдырмайтын шығар.