20.11.2013 10:00

Избыток воды сделал "суперземли" безжизненными

Поскольку вода является одним из необходимых условий возникновения жизни типа земной, логично предположить, что те планеты, поверхность которых покрыта океанами, должны рассматриваться как кандидаты №1 на "роль" обитаемых. Однако на самом деле это не так — как доказали ученые, избыток воды может быть также вреден для жизни, как и ее недостаток.

Фото:

В настоящее время астрономами открыто уже достаточное количество экзопланет — один только телескоп "Кеплер" обнаружил их свыше семидесяти. Вполне вероятно, что на некоторых из них может быть жизнь земного типа, и даже достаточно высокоразвитые цивилизации, с которыми земляне смогут установить контакты. Но как можно вычислить, какие именно из далеких планет могут быть потенциально обитаемыми? Сейчас это можно сделать, увы, только одним способом — исключить из списка экзопланет все, которые таковыми быть не могут.

Однако перед этим нужно подумать: а какие планеты совершенно точно необитаемы? Это, конечно же, газовые гиганты (хотя жизнь вполне возможна на их спутниках), планеты, находящиеся слишком близко к своей звезде (или слишком далеко от нее), а также те, на которых совсем нет углерода и воды — двух "кирпичиков", без которых невозможно построение жизни земного типа. Впрочем, недавнее исследование астрономов показало, что планеты с большим содержанием углерода тоже не могут быть обитаемыми — этот элемент связывает весь планетарный кислород и воде из-за этого просто не из чего образоваться.

Но вот насчет планет, на которых возможно существование большого количества жидкой воды, ученые долгое время не сомневались — они точно должны быть кандидатами №1 на "роль" обитаемых. Ведь вода является самым необходимым условием для существования жизни земного типа, и даже ее избыток не может повредить живым организмам. Однако, как выяснили недавно швейцарские ученые, которыми руководил Ян Алиберт из Бернского университета (Швейцария), на самом деле это не так — избыток воды также вреден для жизни, как и ее недостаток. Впрочем, давайте обо всем по порядку.

Геологам давно известно, что углеродный цикл на нашей планете весьма зависит от выветривания. Происходит это следующим образом — силикатные горные породы суши, после того, как они подвергаются ветровой эрозии, связывают углекислый газ, как из атмосферы, так и из океанской воды (где его, кстати, намного больше). В результате этой химической реакции в воде образуются карбонаты, которые после опускаются на морское дно, а затем — еще глубже, то есть к самой мантии (в точках опускания вещества из коры вниз). Там при нагреве карбонаты высвобождают СО2 и он с помощью вулканической активности (то есть в составе дымов, извергаемых вулканами) вновь возвращается в атмосферу.

Следует заметить, что именно такой цикл очень важен для стабилизации земного климата — например, если рост температуры на поверхности вызовет усиление процессов выветривания, то количество углекислоты, растворенной в океанской воде, неизбежно вырастет. Соответственно, интенсифицируется и процесс связывания СО2 в карбонаты, поэтому концентрация этого газа в атмосфере упадет, что приведет к понижению поверхностной температуры. Или же наоборот — длительное оледенение может полностью прекратит выветривание силикатов, что сразу же снизит содержание углекислого газа в морской воде, а это приведет к накоплению его в атмосфере, что через какое-то время вызовет глобальное потепление.

Так вот, группа Алиберта, построив несколько моделей планет, чья поверхность покрыта океанами не в меньшей степени, чем земная, пришла к выводу, что слишком глубокий океан всегда формирует на дне слой экзотического льда VII. Напомню, что так называют кубическую модификацию льда, тройная точка которого с жидкой водой и льдом VI находится при температуре 355 K и давлении 2,216 ГПа, а граница между твердым и жидким состояниями протягивается по меньшей мере до 715 K и 10 ГПа. По мнению исследователей, такая форма льда может стать непреодолимым барьером для карбонатов — она просто не даст им опуститься в мантию. А это значит, что рано или поздно все карбонаты скопятся в воде, а в атмосферу CO2 поступать совсем перестанет, что погрузит данную планету в вечный ледниковый период.

Согласно проведенным расчетам, для того, чтобы все морское дно больших океанов покрылось ровным слоем льда VII, давление воды должно быть не менее 2,4 ГПа. А на какой планете подобное вообще возможно? Алиберт и его коллеги выяснили, что если в принципе планеты с массой от двух до 12 земных в зависимости от конкретного состава могут колебаться по размерам от 1,8 (для двух масс нашей планеты) до 2,3 радиуса Земли (для 12 земных масс). Если же эти размеры превышаются, то при всех исследованных вариантах состава планет, давление на их дне океанов будет слишком большим для поддержания углеродного цикла, соответственно, они превратятся в царство вечного холода, где образование жизни вряд ли будет возможным.

Таким образом, если исследование Яна Алиберта и его коллег является достоверным, то получается, что многие планеты из класса "суперземель", на которых подозревается наличие жидкой воды, являются совершенно непригодными для жизни. Впрочем, ученые не говорят о том, что они могут быть таковыми все время их существования. Те же модели определили сценарий, при котором возможна "разморозка" таких планет. Известно, что на Земле во время глобальных оледенений происходило накопление углекислого газа в атмосфере без его эвакуации в мантию — вулканы-то все равно продолжали извергаться.

И вот, когда активность этих огнедышащих гигантов приводила к тому, что количество CO2 в атмосфере повышалось, то начинал работать парниковый эффект. В итоге температура начинала расти. По мнению исследователей из группы Алиберта, на огромных "планетах-океанах" рост температуры в такой ситуации может дойти до точки начала потери гидросферы. В итоге вода будет интенсивно испаряться в космос, а после того, как достаточное количество живительной влаги унесется в бескрайние дали межпланетного пространства, давление на дне океанов упадет до значения, при котором лед VII исчезнет и углеродный цикл опять сможет нормализоваться.

Читайте также: Двойник Земли может быть совсем рядом

Итак, как видите, далеко не все "суперземли", обладающие водой, могут оказаться необитаемыми. Однако ответ на вопрос: "каким образом земные ученые смогут отличить планету с большим радиусом, которая уже избавилась от лишней гидросферы и запустила углеродный цикл, от ее "товарки", где такого цикла еще нет, поскольку океаны не испарились до нужной степени?" ученые пока оставляют без ответа. Они заявляют лишь о том, что собираются приступить к разработке методики, которая позволит отличать безжизненные "планеты-океаны" от тех, где зарождение жизни вполне возможно…

Все самое интересное читайте в рубрике "Наука и техника"