Особый взгляд на парадокс Ферми. Часть 7. Количество обитаемых планет

10.12.2020 3:20

– Часть 1 – Часть 2 – Часть 3 – Часть 4 – Часть 5 – Часть 6 –

Рассмотренное в предыдущей части соотношение размера планеты и особенностей атмосферы относилось в первую очередь к земному уровню инсоляции, т. е. получаемой от звезды энергии. Но в зависимости от этого уровня ранее упомянутые диапазоны размера могут меняться.

Разумеется, говоря о потенциально обитаемых планетах, имеет смысл рассматривать находящиеся на главной последовательности звёзды, но и в этом случае инсоляция планет на их орбитах будет постепенно меняться. Это следует учитывать в виду того, что при меньшей инсоляции менее крупные планеты превратятся в газовых гигантов, а при большей — минимальный размер для удержания атмосферы возрастает.

От инсоляции в немалой степени зависит и температура на планете. В настоящее время земля получает от солнца в среднем около 1,37 кВт/м². Равновесную температуру исходя из этого можно определить как

Особый взгляд на парадокс Ферми. Часть 7. Количество обитаемых планет

где I — величина инсоляции на единицу площади, k — коэффициент поглощения, σ — постоянная Стефана-Больцмана. Но если учесть, что вода поглощает около 90% энергии излучения, то в случае большей на 5% инсоляции равновесная температура окажется достаточной для таяния льда, что приведёт к накоплению водяного пара в атмосфере и постоянному усилению парникового эффекта со стремительным ростом температуры. Вероятно, именно такая судьба постигнет нашу планету естественным путём через несколько сотен миллионов лет. В виду чего становится заметным, что человечество успело создать цивилизацию по меркам эволюции в последний момент, о чём подробнее в следующих частях.

В виду этого вопрос о пригодной для жизни температуре имеет смысл рассматривать именно с точки зрения продолжительности. И помимо периодичности массовых вымираний следует учитывать их воздействие на температуру на планете, изменения которой могут оказаться необратимыми. Поскольку пока что речь идёт исключительно об углеродных формах жизни, имеет смысл учитывать температуры изменения агрегатных состояний характерных соединений, в первую очередь воды и углекислого газа. Например, понижение температуры заметно ниже -90°C почти гарантирует полное вымирание, ибо замерзание углекислого газа и воды почти исключает восстановление парникового эффекта, а коэффициент отражения в этом случае может превышать 80%. В этом случае локальное снижение коэффициента отражения при извержении вулканов не сможет заметно повысить температуру, а выделяющийся углекислый газ будет оседать в виде снега. В случае нашей планеты при инсоляции примерно в два раза меньше равновесная температура составила б около -60°C при нынешнем коэффициенте поглощения, а значительное оледенение привело б к его снижению, и уже величины в 40% хватило б для необратимого оледенения. Имеющиеся факты затрудняют точное установление минимальной необходимой инсоляции, но ясно, что пригодный для жизни диапазон не более примерно 2-х раз, а скорее всего, несколько меньше.

Если учесть, что с раннего периода существования земли светимость солнца возросла на 30%, а периодические естественные колебания светимости достигают 8%, получается, что изначальный уровень инсоляции мог отличаться от существовавшего лишь на 40% для сохранения пригодных для жизни условий, что означает, что расстояние от звезды спектрального класса G на пригодных для жизни планетах может варьироваться лишь в пределах примерно 20%. Как минимум в некоторых планетных системах планеты на таком расстоянии могут отсутствовать. Имеет смысл также рассмотреть спектральный класс K, и вероятно, спектральный класс F. Более массивные звёзды очевидным образом существуют слишком непродолжительное время, чтоб появились какие-то относительно сложные формы жизни. Это отчасти можно отнести и к спектральному классу F. Отдельная тема — спектральный класс M, красные карлики, о них подробнее в следующих частях. В случае класса K при массе 70% от массы солнца светимость будет меняться в 2 раза медленнее, что несколько расширяет диапазон величины орбиты потенциально обитаемых планет. В то время как в случае класса F двукратное изменение инсоляции произойдёт менее, чем за 4 миллиарда лет, что почти исключает существование сложных организмов на планетах на их орбитах.

Что касается размера планет, то можно предположить, что наиболее крупные каменистые планеты будут в начальный период обладать очень плотной атмосферой. Пиковый нагрев, скорее всего, будет меняться приблизительно пропорционально уровню инсоляции, что будет означать, что при инсоляции в два раза меньше земной предельный радиус сократится уже до 13 тыс. км. В то ж время постепенное увеличение инсоляции приведёт к разогреванию под действием парникового эффекта. Поэтому можно предположить, что планеты радиусом от 13 до 15 тыс. км не могут иметь сложных форм жизни. Середина диапазона радиуса от 5 до 13 тыс. км, скорее всего, обеспечит наиболее стабильные пригодные для жизни условия с наименьшей вероятностью необратимого парникового эффекта или полного замерзания.

Продолжение: Часть 8. Количество обитаемых планет. Продолжение про спектральные классы звёзд G и K

Источник: salik.biz

Источник