Попытки исследования определить наилучшее соотношение суши и океана для обитаемости экзопланеты
Земля состоит примерно на 29 % из суши и на 71 % из океанов. Насколько важно это сочетание для обитаемости? Что это говорит нам об обитаемости экзопланет?
На Земле очень мало мест, где жизнь не может закрепиться. На общую обитаемость нашей планеты влияет множество факторов: обилие жидкой воды, тектоника плит, объемный состав, близость к Солнцу, магнитосфера и т. д.
Какую роль играет соотношение океанов и суши?
На данный момент наше понимание обитаемости довольно грубое, хотя оно основано на доказательствах. Мы полагаемся на обитаемую зону вокруг звезд, чтобы найти потенциально обитаемые экзопланеты. Это фактор, который легко установить с большого расстояния, и он основан на возможности жидкой воды на планетах.
Мы все еще рисуем более широкую и подробную картину обитаемости, и мы знаем, что такие вещи, как тектоника плит, объемный состав, магнитосфера, состав атмосферы и давление, а также другие факторы играют роль в пригодности для жизни.
Но как насчет соотношения океанов и суши на планете?
Новый исследование рассматривает это соотношение в деталях. Исследование называется «Разнообразие земных фракций на планетах, подобных Земле, и последствия для их обитаемости». Статья отправлена в журнал Astrobiology и доступна на сайте предварительной печати arxiv.org. Рецензирование еще не проводилось.
Авторы — Деннис Хёнинг и Тилман Спон. Хёнинг из Потсдамского института исследований воздействия на климат в Германии, где занимается взаимодействием между планетной физикой и науками о системе Земля.
Спон является исполнительным директором Международного института космических наук в Берне, Швейцария. Спон также был главным исследователем инструмента «крот» посадочного модуля InSight, Пакета теплового потока и физических свойств (HP3).
Тектоника плит и связанные с ней факторы лежат в основе проблемы. Тектоника плит — это движение континентальных плит по поверхности Земли по мере того, как они движутся по поверхности мантии.
Тектоника плит по-прежнему является активной областью исследований, и даже несмотря на все, что мы узнали , ученые еще многого не знают.
Одним из важнейших факторов тектоники плит является принцип «конвейерной ленты». В нем говорится, что по мере того, как плиты погружаются обратно в мантию на сходящихся границах плит, новая океаническая кора создается на расходящихся границах, что называется спредингом морского дна. В результате соотношение суши и океана на Земле остается постоянным.
Поскольку это соотношение остается постоянным, другие факторы также остаются неизменными. И если эти факторы стимулируют биосферу, это хорошо для обитаемости. Одной из таких вещей являются питательные вещества.
Открытая земля подвержена выветриванию, которое перемещает питательные вещества по всему миру. Континентальные шельфы Земли являются биологически богатыми районами. Одна из причин заключается в том, что все стоки питательных веществ с континентов попадают на полки. Таким образом, континенты и их шельфы содержат большую часть биомассы Земли, в то время как в глубинах океана ее гораздо меньше.
Тепло — еще один фактор тектоники плит и пригодности для жизни. Континенты действуют как одеяло поверх мантии, помогая Земле сохранять тепло. Но этот общий эффект смягчается истощением радиоактивных элементов в мантии.
Радиоактивный распад таких элементов, как уран, в мантии создает тепло, удерживаемое эффектом сплошного слоя континентов.
В то же время обновление земной коры в результате тектоники приносит больше этих элементов в земную кору, где их тепло отводится более эффективно.
Углеродный цикл Земли также имеет решающее значение для поддержания жизни. На этот цикл влияет тектоника плит, а также соотношение суши и океана. Выветривание континентов удаляет углерод из атмосферы примерно в равновесии с углеродом, выбрасываемым из мантии вулканами.
Еще есть содержание воды в мантии. Больше воды в мантии снижает вязкость мантии, определяемую как сопротивление течению. Содержание воды в мантии является частью петли обратной связи с температурой мантии. Чем больше воды поступает в мантию, тем легче она течет. Это увеличивает конвекцию, которая высвобождает больше тепла из мантии.
Как поясняется в документе, все эти факторы связаны, как правило, в петлях обратной связи.
Все эти и другие факторы сочетаются друг с другом. на Земле для создания надежной обитаемости. Если бы соотношение суши и воды на Земле было смещено в сторону большего количества суши, тогда климат был бы намного суше, а большие части континентов могли бы быть холодными, сухими пустынями, а биосфера могла бы быть недостаточно большой, чтобы создать богатую кислородом атмосферу.
И наоборот, если бы воды было намного больше, возможно, не хватало бы питательных веществ из-за континентального выветривания. Эта нехватка питательных веществ также не позволяет создать достаточно большую биосферу, необходимую для создания богатой кислородом атмосферы, необходимой для сложной жизни, и для более богатой биосферы.
Тектоника Земли невероятно детализирована, и ее невозможно смоделировать. все. Тем более, что ученые не пришли к единому мнению по многим деталям. Многое из этого скрыто от исследователей. У них пока недостаточно доказательств, чтобы делать твердые выводы.
Это исследование основано на научном моделировании, чтобы понять, как планеты имеют разное соотношение суши и океана.
Хёнинг и Спон смоделировали три основных процесса, которые создают соотношение суши и океана: рост континентальной коры, обмен водой между резервуарами на поверхности и над поверхностью (океаны, атмосфера) и в мантии, а также охлаждение за счет мантийной конвекции.
Из статьи:
«Эти процессы связаны через мантийную конвекцию и тектонику плит с:
- плавлением и вулканизмом, связанным с зоной субдукции, и континентальной эрозией, управляющей рост континентов
- дегазация мантийной воды в результате вулканизма и регазация в результате субдукции, определяющая водный баланс
- перенос тепла посредством мантийной конвекции, определяющий тепловую эволюцию.»
Авторы пришли к одному фундаментальному выводу. «… распространение континентального покрова на планетах, подобных Земле, определяется соответствующей силой положительной и отрицательной обратной связи в росте континентов и взаимосвязью между тепловым покровом и истощением радиоактивных изотопов при росте континентальной коры», — пишут они.
«Неопределенность значений этих параметров представляет основную неопределенность в модели.»
Эти петли обратной связи будут присутствовать на любой планете с тектонической активностью и водой. Относительную силу этих петель трудно определить количественно. Вероятно, в популяции экзопланет задействовано ошеломляющее количество факторов.
Ни один исследователь не может смоделировать каждый фактор в отдельности, но это исследование сводится к петлям обратной связи между всеми факторами и тому, являются ли они положительными или отрицательный.
Сильная отрицательная обратная связь «… привела бы к эволюции, в значительной степени независимой от начальных условий и ранней истории планеты, что подразумевало бы единственное стабильное современное значение площади континентальной поверхности», заключают они.
Однако сильная положительная обратная связь приводит к другим результатам. «Однако для сильной положительной обратной связи результат эволюции может сильно различаться в зависимости от начальных условий и ранней истории», — пишут они.
Вопрос в том, формируют ли экзопланеты те же самые петли обратной связи? Могут ли экзопланеты с тектоникой плит также достичь равновесия между покрытием суши и океана? Станет ли планета примерно размером с Землю и с таким же тепловым балансом похожей на Землю с ее пригодной для жизни стабильностью?
Во-первых, исследования показывают, что возможны как наземные планеты, так и планеты-океаны, что не должно вызывать удивления. И, конечно же, мы знаем, что смешанные планеты, такие как Земля, возможны.
В предыдущей статье та же пара авторов пришла к выводу, что наиболее вероятным исходом являются наземные планеты. Следующим наиболее вероятным исходом являются планеты-океаны.
Авторы отмечают, что во всей этой работе, конечно же, есть неточности и что данных не хватает. Тем не менее, их работа проливает свет на механизмы, создающие различное соотношение суши и океана на планетах.
«Наша дискуссия направлена на то, чтобы обеспечить лучшее качественное понимание процессов обратной связи; мы признаем, что у нас недостаточно данных для детального понимание количественных различий», — пишут они.
Другие исследователи тоже занимались этим вопросом. В исследовании 2015 года изучались планеты вокруг М-карликов, наиболее распространенного типа звезд в Млечном Пути, где мы, вероятно, найдем больше всего экзопланет.
Это исследование обнаружило «… похожее бимодальное распределение площади возникшей суши, при этом большинство планет либо имеют поверхность, полностью покрытую водой, либо имеют значительно меньшую поверхностную воду, чем Земля», — пишут авторы.
Однако это исследование рассматривало другие факторы и не внимание сосредоточено исключительно на континентальном росте.
Что это исследование означает для Земли? Как мы можем ответить на вопрос в заголовке: «Какое сочетание океанов лучше всего подходит для высадки на обитаемую планету?»
Как бы антропоцентрично или терраентично это ни звучало, мы могли бы жить на ответе.
Эта статья была первоначально опубликована Universe Today. Прочтите исходную статью.
