Artykuł ten został pierwotnie opublikowany pod adresem Rozmowa. Publikacja przyczyniła się do powstania artykułu na stronie Space.com Głosy ekspertów: op-ed i spostrzeżenia.
Kiedy astronomowie szukają planet, na których powierzchni może znajdować się woda w stanie ciekłym, zaczynają od spojrzenia na gwiazdę strefa mieszkalna. Woda jest kluczowy składnik życiaa na planecie zbyt blisko swojej gwiazdy woda na jej powierzchni może się „zagotować”; za daleko i może zamarznąć. Strefa ta wyznacza region pomiędzy.
Strefa mieszkalna stanowi przydatny przewodnik w poszukiwaniu oznak życia egzoplanety – planety spoza naszego Układu Słonecznego krążące wokół innych gwiazd. Ale to, co znajduje się w atmosferach tych planet, kryje w sobie kolejną wskazówkę dotyczącą tego, czy woda w stanie ciekłym – i być może życie – istnieje poza Ziemią.
Na Ziemi, efekt cieplarnianypowodowana przez gazy takie jak dwutlenek węgla i para wodna, utrzymuje na planecie wystarczającą temperaturę, aby mogła powstać woda w stanie ciekłym i życie, jakie znamy. Bez atmosfery temperatura powierzchni Ziemi byłaby taka średnio około zera stopni Fahrenheita (minus 18 stopni Celsjusza), znacznie poniżej punktu zamarzania wody.
Granice strefy mieszkalnej są określone przez stopień „efektu cieplarnianego” niezbędny do utrzymania temperatury powierzchni umożliwiającej utrzymanie się wody w stanie ciekłym. To równowaga pomiędzy światłem słonecznym a ociepleniem atmosfery.
Wielu planetologów, łącznie ze mnąstarają się zrozumieć, czy procesy odpowiedzialne za regulację klimatu Ziemi zachodzą na innych światach w strefach mieszkalnych. Wykorzystujemy naszą wiedzę o geologii i klimacie Ziemi, aby przewidzieć, jak te procesy mogą wyglądać gdzie indziej, i w tym miejscu przydaje się moja wiedza z zakresu nauk o Ziemi.
Dlaczego strefa mieszkalna?
Strefa mieszkalna to prosty i skuteczny pomysł i nie bez powodu. Stanowi punkt wyjścia, kierując astronomów tam, gdzie mogliby się spodziewać planet zawierających wodę w stanie ciekłym, bez konieczności poznania wszystkich szczegółów atmosfery czy historii planety.
Jego definicja jest częściowo oparta na wiedzy naukowców o skalistych sąsiadach Ziemi. Marsktóra leży tuż za zewnętrzną krawędzią strefy mieszkalnej wyraźne dowody na istnienie starożytnych rzek i jezior gdzie kiedyś płynęła woda w stanie ciekłym.
Podobnie, Wenus znajduje się obecnie zbyt blisko słońca, aby znajdować się w strefie mieszkalnej. Jednak niektórzy dowody geochemiczne I studia modelarskie sugerują, że Wenus mogła mieć w przeszłości wodę, choć nie wiadomo, ile i jak długo.
Przykłady te pokazują, że chociaż strefa nadająca się do zamieszkania nie jest doskonałym predyktorem możliwości zamieszkania, stanowi przydatny punkt wyjścia.
Procesy planetarne mogą wpływać na możliwość zamieszkania
Strefa nadająca się do zamieszkania nie określa, czy planeta może utrzymać warunki nadające się do zamieszkania przez długi czas. Na Ziemi A stabilny klimat pozwolił na pojawienie się i przetrwanie życia. Na powierzchni może pozostać woda w stanie ciekłym, dając powolnym reakcjom chemicznym wystarczająco dużo czasu do budowy cząsteczek życia i pozwól wczesnym ekosystemom rozwinąć odporność do zmiany, co wzmocniło możliwość zamieszkania.
Życie pojawiło się na Ziemi, ale nadal przekształcał środowiska, w których ewoluowałczyniąc je bardziej sprzyjającymi życiu.
Ta stabilność prawdopodobnie rozwijała się przez setki milionów lat, gdy powierzchnia planet, oceany i atmosfera współpracowały ze sobą w ramach powolny, ale potężny system do regulowania temperatury Ziemi.
Kluczową częścią tego systemu jest sposób Ziemia przetwarza węgiel nieorganiczny między atmosferą, powierzchnią i oceanami na przestrzeni milionów lat. Węgiel nieorganiczny odnosi się do węgla związanego w gazach atmosferycznych, rozpuszczonego w wodzie morskiej lub zamkniętego w minerałach, a nie w materiale biologicznym. Ta część cyklu węglowego działa jak naturalny termostat. Kiedy wulkany uwalniają dwutlenek węgla do atmosfery, cząsteczki dwutlenku węgla zatrzymują ciepło i ogrzewają planetę. Wraz ze wzrostem temperatury deszcze i warunki atmosferyczne pobierają dwutlenek węgla z powietrza i magazynują go w skałach i oceanach.
Jeśli planeta się ochładza, proces ten zwalnia, umożliwiając ocieplenie dwutlenku węgla gaz cieplarnianyaby ponownie gromadzić się w atmosferze. Ta część cyklu węglowego pomogła Ziemi odzyskać siły po poprzednich epokach lodowcowych i uniknąć niekontrolowanego ocieplenia.
Nawet gdy słońce stopniowo jaśnieje, cykl ten przyczynił się do utrzymania temperatury na Ziemi w zakresie, w którym woda w stanie ciekłym i życie mogą utrzymywać się przez długi czas.
Teraz naukowcy zadają sobie pytanie, czy podobne procesy geologiczne mogą zachodzić na innych planetach, a jeśli tak, to w jaki sposób można je wykryć. Na przykład, gdyby badaczom udało się zaobserwować wystarczającą liczbę planet skalistych w zamieszkałych strefach swoich gwiazd, byłoby to możliwe poszukaj wzoru łącząc ilość światła słonecznego, jaką otrzymuje planeta, z ilością dwutlenku węgla w jej atmosferze. Znalezienie takiego wzorca może wskazywać, że ten sam rodzaj procesu obiegu węgla może zachodzić gdzie indziej.
Mieszanka gazów w atmosferze planety jest kształtowana przez to, co dzieje się na jej powierzchni lub pod jej powierzchnią. Jedno badanie pokazuje, że pomiar atmosferycznego dwutlenku węgla na szeregu planet skalistych może ujawnić, czy ich powierzchnie są podzielone na kilka ruchomych płyt, tak jak w przypadku Ziemi, czy też ich skorupa jest sztywniejsza. Na Ziemi te przesuwanie płyt napędzają wulkanizm i wietrzenie skał, które są kluczem do obiegu węgla.
Obserwując odległe atmosfery
Następnym krokiem będzie w kierunku uzyskania perspektywy na poziomie populacji planet w ekosferach ich gwiazd. Analizując dane atmosferyczne z wielu planet skalistych, badacze mogą szukać trendów, które ujawniają wpływ podstawowych procesów planetarnych, takich jak obieg węgla.
Naukowcy mogliby następnie porównać te wzorce z pozycją planety w strefie zamieszkiwalnej. Pozwoliłoby im to sprawdzić, czy strefa dokładnie przewiduje, gdzie możliwe są warunki nadające się do zamieszkania, lub czy na niektórych planetach poza krawędziami strefy utrzymują się warunki odpowiednie dla wody w stanie ciekłym.
Tego rodzaju podejście jest szczególnie ważne, biorąc pod uwagę różnorodność egzoplanet. Wpada wiele egzoplanet kategorie, które nie istnieją w naszym Układzie Słonecznym — takie jak super Ziemie I mini Neptun. Inni krążą wokół gwiazd mniejszych i chłodniejszych od Słońca.
Zbiory danych potrzebne do zbadania i zrozumienia tej różnorodności są już na horyzoncie. Nadchodzi NASA Obserwatorium Światów Mieszkalnych będzie pierwszym teleskopem kosmicznym zaprojektowanym specjalnie do poszukiwania śladów życia i zamieszkania na planetach krążących wokół innych gwiazd. Będzie bezpośrednio fotografował planety wielkości Ziemi krążące wokół gwiazd podobnych do Słońca, aby szczegółowo zbadać ich atmosfery.
Instrumenty w obserwatorium będą analizować przechodzące światło gwiazd te atmosfery do wykrywania gazów takich jak dwutlenek węgla, metan, para wodna i tlen. Gdy światło gwiazd przenika przez atmosferę planety, różne cząsteczki absorbują światło o określonych długościach fal, pozostawiając po sobie chemiczny odcisk palca to pokazuje, jakie gazy są obecne. Związki te dają wgląd w procesy kształtujące te światy.
Obserwatorium Habitable Worlds znajduje się w fazie aktywnego rozwoju naukowego i inżynieryjnego i ma potencjał premiera planowana jest na lata 40. XX wieku. W połączeniu z dzisiejszymi teleskopami, które są w coraz większym stopniu zdolne do obserwacji atmosfer światów wielkości Ziemi, naukowcy być może wkrótce będą w stanie określić, czy te same procesy planetarne, które regulują klimat Ziemi, są powszechne w całej galaktyce, czy też występują wyłącznie w naszej.
