Elu võimalus veeplaneetidel

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-16 16:03

Enamik meile teadaolevatest planeetidest on massilt suuremad kui Maa, kuid väiksemad kui Saturn. Kõige sagedamini on nende hulgas "mini-neptuunid" ja "supermaad" - objektid, mis on paar korda massiivsemad kui meie planeet. Viimaste aastate avastused annavad üha enam alust arvata, et super-Maad on planeedid, mille koostis on meie omast väga erinev. Veelgi enam, selgus, et teiste süsteemide maapealsed planeedid erinevad Maast tõenäoliselt palju rikkalikumate valguselementide ja ühendite, sealhulgas vee poolest. Ja see on hea põhjus mõelda, kui sobivad nad kogu eluks.

Eelnimetatud erinevused endise maa ja Maa vahel on seletatavad sellega, et kolm neljandikku universumi tähtedest on punased kääbused, Päikesest palju väiksema massiga valgustid. Vaatlused näitavad, et neid ümbritsevad planeedid asuvad sageli elamiskõlblikus tsoonis – see tähendab, et nad saavad oma tähelt umbes sama palju energiat kui Maa Päikeselt. Pealegi on punaste kääbuste elamiskõlblikus tsoonis sageli äärmiselt palju planeete: näiteks TRAPPIST-1 tähe "kuldvillaku vöös" on korraga kolm planeeti.

Ja see on väga kummaline. Punaste kääbuste elamiskõlblik tsoon asub tähest miljonite kilomeetrite kaugusel, mitte 150–225 miljoni kaugusel, nagu Päikesesüsteemis. Samal ajal ei saa mitu planeeti korraga oma tähest miljonite kilomeetrite kaugusel tekkida - selle protoplanetaarse ketta suurus ei võimalda. Jah, punasel kääbikul on seda vähem kui kollasel, nagu meie Päikesel, aga mitte sada või isegi viiskümmend korda.

Olukorra muudab veelgi keerulisemaks asjaolu, et astronoomid on õppinud enam-vähem täpselt "kaaluma" kaugemate tähtede planeete. Ja siis selgus, et kui seostada nende massi ja suurust, siis selgub, et selliste planeetide tihedus on kaks või isegi kolm korda väiksem kui Maa oma. Ja see on põhimõtteliselt võimatu, kui need planeedid tekkisid nende tähest miljonite kilomeetrite kaugusel. Sest nii tiheda paigutuse korral peaks valgusti kiirgus sõna otseses mõttes lükkama suurema osa valguselementidest väljapoole.

Täpselt nii juhtus näiteks päikesesüsteemis. Heidame pilgu Maale: see tekkis elamiskõlblikus tsoonis, kuid vee massist ei ole suurem kui üks tuhandik. Kui paljude maailmade tihedus punastes kääbustes on kaks kuni kolm korda väiksem, siis sealne vesi ei ole väiksem kui 10 protsenti või isegi rohkem. See tähendab sada korda rohkem kui Maal. Järelikult tekkisid nad väljaspool elamiskõlblikku tsooni ja alles siis rändasid sinna. Tähekiirgusel on kerge valguselemendid ilma valgusti lähedal asuvatest protoplanetaarse ketta tsoonidest ilma jätta. Kuid protoplanetaarse ketta kaugemast osast rännanud valmisplaneeti on palju keerulisem valguselementidest ilma jätta - sealsed alumised kihid on kaitstud ülemiste poolt. Ja veekadu on paratamatult üsna aeglane. Tüüpiline elamiskõlblikus tsoonis asuv supermaa ei suuda kaotada pooltki oma veest ja kogu näiteks päikesesüsteemi olemasolu jooksul.

Niisiis on universumi kõige massiivsematel tähtedel sageli planeedid, millel on palju vett. Tõenäoliselt tähendab see, et selliseid planeete on palju rohkem kui Maa. Seetõttu oleks hea välja mõelda, kas sellistes kohtades on võimalik keerulise elu tekkimine ja arenemine.

Vaja rohkem mineraale

Ja siit saavad alguse suured probleemid. Päikesesüsteemis pole suure veekogusega supermaadele lähedasi analooge ning vaatluseks saadaolevate näidete puudumisel pole planeediteadlastel sõna otseses mõttes millestki alustada. Peame vaatama vee faasidiagrammi ja välja selgitama, millised parameetrid on ookeanide planeetide erinevatel kihtidel.

Vee oleku faasiskeem. Jää modifikatsioonid on tähistatud rooma numbritega. Peaaegu kogu jää Maal kuulub I rühma_hja väga väike osa (ülemistes atmosfäärikihtides) - I-le_c… Pilt: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Selgub, et kui Maa-suurusel planeedil on vett 540 korda rohkem kui siin, siis katab selle täielikult enam kui saja kilomeetri sügavune ookean. Selliste ookeanide põhjas on rõhk nii suur, et sinna hakkab moodustuma sellise faasi jää, mis jääb tahkeks ka väga kõrgetel temperatuuridel, kuna vett hoiab tahke tohutu surve.

Kui planeedi ookeani põhi on kaetud paksu jääkihiga, jääb vedel vesi ilma kontaktist tahkete silikaatkivimitega. Ilma sellise kokkupuuteta pole selles sisalduvatel mineraalidel tegelikult kusagilt pärit. Mis veelgi hullem, süsinikuring on häiritud.

Alustame mineraalidest. Ilma fosforita ei saa elu - meile teadaolevatel vormidel - olla, sest ilma selleta pole nukleotiide ja vastavalt ka DNA-d. Ilma kaltsiumita saab olema raske – näiteks meie luud koosnevad hüdroksüülapatiidist, mis ei saa hakkama ilma fosfori ja kaltsiumita. Mõnikord tekivad Maal probleeme teatud elementide kättesaadavusega. Näiteks Austraalias ja Põhja-Ameerikas oli paljudes paikades ebanormaalselt pikaajaline vulkaanilise tegevuse puudumine ja mõnel pool on muldades tõsine seleenipuudus (see on osa ühest eluks vajalikust aminohappest).. Sellest tulenevalt on lehmadel, lammastel ja kitsedel seleenipuudus ning mõnikord viib see kariloomade surmani (USAs ja Kanadas on seleniidi lisamine loomasöödale isegi seadusega reguleeritud).

Mõned teadlased arvavad, et ainuüksi mineraalide kättesaadavuse tegur peaks muutma ookeanid-planeedid tõelisteks bioloogilisteks kõrbeteks, kus elu, kui seda on, on äärmiselt haruldane. Ja me lihtsalt ei räägi tõeliselt keerulistest vormidest.

Katkine konditsioneer

Lisaks mineraalide puudujääkidele on teoreetikud avastanud teise potentsiaalse planeetide-ookeanide probleemi – võib-olla isegi olulisema kui esimene. Me räägime tõrgetest süsinikuringes. Meie planeedil on ta suhteliselt stabiilse kliima olemasolu peamine põhjus. Süsinikuringe põhimõte on lihtne: kui planeet muutub liiga külmaks, aeglustub järsult süsihappegaasi neeldumine kivimite poolt (sellise neeldumise protsess kulgeb kiiresti ainult soojas keskkonnas). Samal ajal kulgevad vulkaanipursetega süsihappegaasi "varud" samas tempos. Kui gaasi sidumine väheneb ja tarne ei vähene, tõuseb CO₂ kontsentratsioon loomulikult. Planeedid, nagu teate, on planeetidevahelise ruumi vaakumis ja ainus oluline soojuskao viis nende jaoks on selle kiirgus infrapunalainete kujul. Süsinikdioksiid neelab sellist kiirgust planeedi pinnalt, mistõttu on atmosfäär veidi soojenenud. See aurustab ookeanide veepinnalt veeauru, mis neelab ka infrapunakiirgust (teine kasvuhoonegaas). Selle tulemusena toimib CO₂ planeedi kuumutamise protsessi peamise initsiaatorina.

Just see mehhanism viib selleni, et liustikud Maal lõpevad varem või hiljem. Samuti ei lase ta sellel üle kuumeneda: liialt kõrgel temperatuuril seob süsihappegaas kivimitega kiiremini, misjärel need maakoore plaatide tektoonika mõjul järk-järgult vahevöösse vajuvad. CO tase₂langeb ja kliima muutub jahedamaks.

Selle mehhanismi tähtsust meie planeedile ei saa vaevalt ülehinnata. Kujutage korraks ette süsinikkliimaseadme riket: ütleme, et vulkaanid on lakanud purskamast ega edasta enam süsihappegaasi Maa sisikonnast, mis kunagi laskus sinna vanade mandriplaatidega. Esimene jäätumine muutub sõna otseses mõttes igaveseks, sest mida rohkem jääd planeedil on, seda rohkem päikesekiirgust see kosmosesse peegeldub. Ja uus osa CO-st₂ ei suuda planeeti lahti külmutada: tal pole kuskilt tulla.

Täpselt nii peaks see teoreetiliselt olema ka planeetidel-ookeanidel. Isegi kui vulkaaniline tegevus võib mõnikord planeedi ookeani põhjas asuvast eksootilise jää kestast läbi murda, on sellest vähe head. Tõepoolest, meremaailma pinnal pole lihtsalt kivimeid, mis võiksid siduda liigset süsihappegaasi. See tähendab, et võib alata selle kontrollimatu kogunemine ja vastavalt planeedi ülekuumenemine.

Midagi sarnast – tõsi, ilma planeedi ookeanita – juhtus ka Veenusel. Sellel planeedil pole ka laamtektoonikat, kuigi tegelikult pole teada, miks see juhtus. Seetõttu panevad sealsed vulkaanipursked, mis murduvad kohati läbi maakoore, atmosfääri palju süsihappegaasi, kuid pind ei suuda seda siduda: mandriplaadid ei vaju alla ja uusi ei kerki. Seetõttu on olemasolevate plaatide pind juba sidunud kogu CO₂, mis võiks ja ei suuda rohkem neelata ning Veenusel on nii palav, et plii jääb seal alati vedelaks. Ja seda hoolimata asjaolust, et modelleerimise järgi oleks see planeet Maa atmosfääri ja süsinikuringe juures Maa elamiskõlbulik kaksik.

Kas on elu ilma konditsioneerita?

"Maapealse šovinismi" (positsioon, et elu on võimalik ainult "Maa koopiatel", rangelt maapealsete tingimustega planeetidel) kriitikud esitasid kohe küsimuse: miks tegelikult kõik otsustasid, et mineraalid ei suuda läbi murda eksootilise jää kiht? Mida tugevam ja läbitungimatum on kaas millegi kuuma kohal, seda rohkem koguneb selle alla energiat, mis kipub välja murdma. Siin on seesama Veenus – laamtektoonikat ei paista eksisteerivat ja süsihappegaasi pääses sügavustest sellises koguses, et sellest sõna otseses mõttes elu pole. Järelikult on sama võimalik mineraalide eemaldamisega ülespoole - tahked kivimid kukuvad vulkaanipursete ajal täielikult ülespoole.

Sellegipoolest jääb alles veel üks probleem - süsinikutsükli "katkine kliimaseade". Kas ookeaniplaneet saab ilma selleta elada?

Päikesesüsteemis on palju kehasid, millel süsinikdioksiid ei mängi üldse peamise kliimaregulaatori rolli. Siin on näiteks Titan, suur Saturni kuu.

Titaan. Foto: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, Nantes'i ülikool, Virginia Pasek, Arizona ülikool

Keha on Maa massiga võrreldes tühine. Kuid see tekkis Päikesest kaugel ja valgusti kiirgus ei "aurustanud" sellest valguselemente, sealhulgas lämmastikku. See annab Titanile peaaegu puhta lämmastiku atmosfääri, sama gaasi, mis domineerib meie planeedil. Kuid selle lämmastikuatmosfääri tihedus on neli korda suurem kui meil – gravitatsiooni mõjul on see seitse korda nõrgem.

Titani kliimat vaadates on esmapilgul ühtlane tunne, et see on ülimalt stabiilne, kuigi "süsinik" kliimaseade selle otsesel kujul puudub. Piisab, kui öelda, et temperatuuride erinevus pooluse ja Titani ekvaatori vahel on vaid kolm kraadi. Kui Maal oleks olukord sama, oleks planeet palju ühtlasemalt asustatud ja üldiselt eluks sobivam.

Veelgi enam, mitmete teadusrühmade arvutused on näidanud: kui atmosfääri tihedus on viis korda suurem kui Maa oma, see tähendab veerandi võrra suurem kui Titanil, piisab isegi ainult lämmastiku kasvuhooneefektist temperatuurikõikumiste langemiseks. peaaegu nullini. Sellisel planeedil oleks päeval ja öösel nii ekvaatoril kui ka poolusel temperatuur alati sama. Maapealne elu võib sellisest asjast vaid unistada.

Planeedid-ookeanid on oma tiheduse poolest just Titani (1,88 g / cm³), mitte Maa (5,51 g / cm³) tasemel. Oletame, et kolme meist 40 valgusaasta kaugusel asuva TRAPPIST-1 elamiskõlbliku tsooni planeedi tihedus on 1,71–2,18 g / cm³. Teisisõnu, kõige tõenäolisemalt on sellistel planeetidel lämmastiku atmosfääri tihedus enam kui piisav, et neil oleks stabiilne kliima ainult tänu lämmastikule. Süsinikdioksiid ei saa neid muuta kuumaks Veenuseks, sest tõesti suur veemass suudab siduda palju süsihappegaasi ka ilma laamtektoonikata (süsinikdioksiid neeldub vees ja mida suurem on rõhk, seda rohkem suudab see seda sisaldada).

Süvamere kõrbed

Hüpoteetiliste maaväliste bakterite ja arheatega tundub kõik olevat lihtne: nad võivad elada väga keerulistes tingimustes ja selleks ei vaja nad üldse paljude keemiliste elementide rohkust. Taimede ja nende kulul elatava kõrgelt organiseeritud eluga on keerulisem.

Seega võib ookeaniplaneetidel olla stabiilne kliima – suure tõenäosusega stabiilsem kui Maal. Samuti on võimalik, et vees on märgatavalt palju lahustunud mineraalaineid. Ja ometi pole elu seal üldse vastlapäev.

Heidame pilgu Maale. Välja arvatud viimased miljonid aastad, on selle maa äärmiselt roheline, peaaegu puuduvad pruunid või kollased kõrbelaigud. Kuid ookean ei tundu üldse roheline, välja arvatud mõned kitsad rannikualad. Miks nii?

Asi on selles, et meie planeedil on ookean bioloogiline kõrb. Elu vajab süsihappegaasi: see "ehitab" taimset biomassi ja ainult sellest saab toita loomset biomassi. Kui meid ümbritsevas õhus on CO₂ rohkem kui 400 ppm nagu praegu, taimestik õitseb. Kui see oleks alla 150 miljondikosa, sureksid kõik puud (ja see võib juhtuda miljardi aasta pärast). Sisaldab vähem kui 10 osa CO₂ miljoni kohta sureksid üldiselt kõik taimed ja koos nendega kõik tõeliselt keerulised eluvormid.

Esmapilgul peaks see tähendama, et meri on tõeline eluala. Maa ookeanid sisaldavad tõepoolest sada korda rohkem süsihappegaasi kui atmosfäär. Seetõttu peaks taimede jaoks olema palju ehitusmaterjali.

Tegelikult pole miski tõest kaugemal. Maa ookeanide vesi on 1,35 kvintiljonit (miljard miljardit) tonni ja atmosfäär on veidi üle viie kvadriljoni (miljonit miljardit) tonni. See tähendab, et tonni vees on CO2 märgatavalt vähem.₂kui tonn õhku. Maa ookeanide veetaimedel on peaaegu alati palju vähem süsinikdioksiidi₂ nende käsutuses olevad kui maapealsed.

Asja teeb hullemaks see, et veetaimedel on hea ainevahetus vaid soojas vees. Nimelt on selles CO₂ kõige vähem seetõttu, et selle lahustuvus vees väheneb temperatuuri tõustes. Seetõttu eksisteerivad vetikad - võrreldes maismaataimedega - pideva kolossaalse CO defitsiidi tingimustes.₂.

Seetõttu näitavad teadlaste katsed arvutada maapealsete organismide biomassi, et kaks kolmandikku planeedist hõivav meri annab kogu biomassi tähtsusetu panuse. Kui võtta süsiniku kogumass - mis tahes elusolendi kuivmassi põhimaterjal - maismaa elanikud, siis võrdub see 544 miljardi tonniga. Ja merede ja ookeanide elanike kehades - ainult kuus miljardit tonni, puru peremehe laualt, veidi rohkem kui protsent.

Kõik see võib viia arvamusele, et kuigi elu planeetidel-ookeanidel on võimalik, on see väga-väga inetu. Maa biomass, kui seda kataks üks ookean, kui kõik muud asjad on võrdsed, oleks kuiva süsiniku osas vaid 10 miljardit tonni – viiskümmend korda vähem kui praegu.

Kuid ka siin on veel vara veemaailmadele lõppu teha. Fakt on see, et juba kahe atmosfääri rõhul on CO kogus₂, mis võib merevees lahustuda, rohkem kui kahekordne (temperatuuril 25 kraadi). Maa omast neli kuni viis korda tihedama atmosfääriga – ja see on täpselt see, mida võiks oodata sellistel planeetidel nagu TRAPPIST-1e, g ja f – võib vees olla nii palju süsihappegaasi, et kohalike ookeanide vesi hakkab lähenema. Maa õhk. Teisisõnu satuvad veetaimed planeetidel ja ookeanidel palju parematesse tingimustesse kui meie planeedil. Ja kus on rohkem rohelist biomassi ja loomadel parem toidubaas. See tähendab, et erinevalt Maast ei pruugi planeetide-ookeanide mered olla kõrbed, vaid eluoaasid.

Sargasso planeedid

Aga mida teha, kui ookeaniplaneedil on arusaamatuse tõttu siiski Maa atmosfääri tihedus? Ja siin pole kõik nii hull. Maal kipuvad vetikad põhja kinnituma, kuid seal, kus selleks tingimused puuduvad, selgub, et veetaimed oskavad ujuda.

Mõned sargassumvetikad kasutavad ujuvuse tagamiseks õhuga täidetud kotte (nad meenutavad viinamarju, sellest ka portugali sõna "sargasso" Sargasso mere nimes) ja teoreetiliselt võimaldab see võtta CO.₂ õhust, mitte veest, kus seda on vähe. Tänu oma ujuvusele on neil lihtsam fotosünteesi teha. Tõsi, sellised vetikad paljunevad hästi vaid üsna kõrgel veetemperatuuril ja seetõttu on nad Maal suhteliselt head vaid mõnes kohas, näiteks Sargasso merel, kus vesi on väga soe. Kui ookeaniplaneet on piisavalt soe, siis pole isegi maa atmosfääri tihedus meretaimedele ületamatuks takistuseks. Nad võivad CO-d võtta₂ atmosfäärist, vältides probleeme madala süsinikdioksiidiga soojas vees.

Sargasso vetikad. Fotod: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

Huvitav on see, et samas Sargasso meres ujuvad vetikad loovad terve ujuva ökosüsteemi, umbes nagu "ujuv maa". Seal elavad krabid, kelle jaoks piisab vetikate ujuvusest, et liikuda nende pinnal justkui maismaal. Teoreetiliselt võivad ookeaniplaneedi rahulikes piirkondades ujuvad meretaimede rühmad arendada üsna "maismaa" elu, kuigi maad ennast sealt ei leia.

Kontrollige oma privileege, maamees

Kõige lootustandvamate eluotsingute kohtade väljaselgitamise probleem seisneb selles, et seni on meil vähe andmeid, mis võimaldaksid kandidaatplaneetide hulgast välja tuua kõige tõenäolisemad elukandjad. Iseenesest pole "elamiskõlbliku tsooni" mõiste siin parim abimees. Selles peetakse eluks sobivateks planeete, mis saavad oma tähelt piisava koguse energiat, et toetada vedelikumahuteid vähemalt osal oma pinnast. Päikesesüsteemis on nii Marss kui ka Maa elamiskõlblikus tsoonis, kuid esmapilgul on keeruline elu pinnal kuidagi märkamatu.

Peamiselt seetõttu, et see ei ole Maaga sama maailm, mille atmosfäär ja hüdrosfäär on põhimõtteliselt erinevad. Lineaarne esitus stiilis "planeet-ookean on Maa, aga ainult veega kaetud" võib viia meid samasse pettekujutlusse, mis 20. sajandi alguses eksisteeris Marsi eluks sobivuse kohta. Päris ookeanianiidid võivad meie planeedist järsult erineda – neil on täiesti erinev atmosfäär, erinevad kliima stabiliseerimismehhanismid ja isegi erinevad mehhanismid meretaimede süsinikdioksiidiga varustamiseks.

Üksikasjalik arusaam veemaailmade tegelikust toimimisest võimaldab meil eelnevalt aru saada, milline on nende elamiskõlblik tsoon, ja seeläbi kiiresti läheneda selliste planeetide üksikasjalikele vaatlustele James Webbis ja teistes paljutõotavates suurtes teleskoopides.

Kokkuvõtteks võib öelda, et kuni viimase ajani kannatasid meie ettekujutused selle kohta, millised maailmad on tõesti asustatud ja millised mitte, liiga palju antropotsentrismi ja geotsentrismi all. Ja nagu nüüd selgub, "sushtsentrismist" - arvamusest, et kui me ise tekkisime maismaal, siis on see elu arengu kõige olulisem koht ja mitte ainult meie planeedil, vaid ka teistel päikestel. Võib-olla ei jäta lähiaastate tähelepanekud sellest vaatenurgast kivi kivi peale.