Možnost života na vodních planetách

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Většina planet, o kterých víme, je hmotnostně větší než Země, ale menší než Saturn. Nejčastěji jsou mezi nimi „mini-neptuny“a „super-země“- objekty několikrát hmotnější než naše planeta. Objevy posledních let dávají stále více důvodů k domněnce, že super-Země jsou planety, jejichž složení je velmi odlišné od našeho. Navíc se ukázalo, že terestrické planety v jiných systémech se pravděpodobně liší od Země v mnohem bohatších světelných prvcích a sloučeninách, včetně vody. A to je dobrý důvod se ptát, jak jsou fit pro život.

Výše uvedené rozdíly mezi ex-Zemí a Zemí jsou vysvětleny skutečností, že tři čtvrtiny všech hvězd ve vesmíru jsou červení trpaslíci, svítidla mnohem méně hmotná než Slunce. Pozorování ukazují, že planety kolem nich jsou často v obyvatelné zóně – tedy tam, kde dostávají od své hvězdy přibližně stejnou energii jako Země od Slunce. V obyvatelné zóně červených trpaslíků je navíc často extrémně mnoho planet: například v „pásu Zlatovlásky“hvězdy TRAPPIST-1 jsou tři planety najednou.

A to je velmi zvláštní. Obyvatelná zóna červených trpaslíků leží v milionech kilometrů od hvězdy a ne 150-225 milionů jako ve sluneční soustavě. Mezitím několik planet najednou nemůže vzniknout v milionech kilometrů od své hvězdy - velikost jejího protoplanetárního disku to nedovolí. Ano, červený trpaslík ho má méně než žlutý, jako naše Slunce, ale ne stokrát nebo dokonce padesátkrát.

Situaci navíc komplikuje fakt, že se astronomové naučili více či méně přesně „vážit“planety u vzdálených hvězd. A pak se ukázalo, že když vztáhneme jejich hmotnost a velikost, ukáže se, že hustota takových planet je dvakrát nebo dokonce třikrát menší než hustota Země. A to je v zásadě nemožné, pokud tyto planety vznikly v milionech kilometrů od své hvězdy. Protože při takto těsném uspořádání by záření svítidla mělo doslova vytlačit většinu světelných prvků směrem ven.

Přesně to se stalo například ve sluneční soustavě. Podívejme se na Zemi: vznikla v obyvatelné zóně, ale voda v její hmotnosti není větší než jedna tisícina. Pokud je hustota řady světů u červených trpaslíků dvakrát až třikrát nižší, pak tamní voda není méně než 10 procent, nebo dokonce více. Tedy stokrát více než na Zemi. V důsledku toho se vytvořili mimo obyvatelnou zónu a teprve poté tam migrovali. Je snadné, aby hvězdné záření připravilo světelné prvky o zóny protoplanetárního disku v blízkosti svítidla. Mnohem obtížnější je ale připravit hotovou planetu, která migrovala ze vzdálené části protoplanetárního disku, o lehké prvky – tamější spodní vrstvy jsou chráněny těmi horními. A ztráta vody je nevyhnutelně poměrně pomalá. Typická superzemě v obyvatelné zóně nestihne ztratit ani polovinu vody a za celou dobu existence například sluneční soustavy.

Takže nejhmotnější hvězdy ve vesmíru mají často planety, ve kterých je hodně vody. To s největší pravděpodobností znamená, že takových planet je mnohem více než Země. Proto by bylo dobré zjistit, zda v takových místech existuje možnost vzniku a rozvoje složitého života.

Potřebujete více minerálů

A tady začínají velké problémy. Ve sluneční soustavě neexistují žádné blízké obdoby superzemí s velkým množstvím vody a při absenci příkladů dostupných pro pozorování nemají planetární vědci doslova z čeho vycházet. Musíme se podívat na fázový diagram vody a zjistit, jaké parametry budou mít různé vrstvy oceánských planet.

Fázový diagram stavu vody. Úpravy ledu jsou označeny římskými číslicemi. Téměř veškerý led na Zemi patří do skupiny I_ha velmi malý zlomek (ve vyšších vrstvách atmosféry) - do I_C… Obrázek: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Ukazuje se, že pokud je na planetě o velikosti Země 540krát více vody než zde, pak ji zcela pokryje oceán hluboký více než sto kilometrů. Na dně takových oceánů bude tlak tak velký, že se tam začne tvořit led takové fáze, který zůstává pevný i při velmi vysokých teplotách, protože voda je díky obrovskému tlaku udržována pevná.

Pokud je dno planetárního oceánu pokryto silnou vrstvou ledu, kapalná voda bude zbavena kontaktu s pevnými silikátovými horninami. Bez takového kontaktu se minerály v něm ve skutečnosti nebudou mít odkud brát. Horší je, že se naruší uhlíkový cyklus.

Začněme minerály. Bez fosforu život - v nám známých formách - nemůže být, protože bez něj nejsou žádné nukleotidy a tedy ani DNA. Bez vápníku to půjde jen těžko – například naše kosti jsou složeny z hydroxylapatitu, který se bez fosforu a vápníku neobejde. Na Zemi občas vznikají problémy s dostupností určitých prvků. Například v Austrálii a Severní Americe byla na řadě lokalit abnormálně dlouhá absence sopečné činnosti a v půdách je místy výrazný nedostatek selenu (je součástí jedné z aminokyselin, nezbytných pro život). Z toho mají krávy, ovce a kozy nedostatek selenu a někdy to vede k úhynu hospodářských zvířat (přidávání seleničitanu do krmiva pro hospodářská zvířata ve Spojených státech a Kanadě je dokonce regulováno zákonem).

Někteří badatelé naznačují, že pouhý faktor dostupnosti minerálů by měl z oceánů-planet udělat skutečné biologické pouště, kde je život, pokud existuje, extrémně vzácný. A to se prostě nebavíme o opravdu složitých formách.

Rozbitá klimatizace

Kromě nedostatku minerálů objevili teoretici druhý potenciální problém planet – oceánů – možná ještě důležitější než ten první. Hovoříme o poruchách v uhlíkovém cyklu. Na naší planetě je hlavním důvodem existence relativně stabilního klimatu. Princip uhlíkového cyklu je jednoduchý: když se planeta příliš ochladí, absorpce oxidu uhličitého horninami se prudce zpomalí (proces takové absorpce probíhá rychle pouze v teplém prostředí). Stejným tempem přitom jdou „zásoby“oxidu uhličitého se sopečnými erupcemi. Když se vazba plynu sníží a dodávka se nesníží, koncentrace CO₂ přirozeně stoupá. Planety, jak víte, jsou ve vakuu meziplanetárního prostoru a jediným významným způsobem ztráty tepla je pro ně jeho vyzařování ve formě infračervených vln. Oxid uhličitý takové záření z povrchu planety pohlcuje, proto je atmosféra mírně zahřátá. Tím se odpařuje vodní pára z vodní hladiny oceánů, která zároveň pohlcuje infračervené záření (další skleníkový plyn). V důsledku toho je to CO₂, který působí jako hlavní iniciátor v procesu zahřívání planety.

Právě tento mechanismus vede k tomu, že ledovce na Zemi dříve nebo později skončí. Nedovolí ani přehřátí: při příliš vysokých teplotách je oxid uhličitý rychleji vázán horninami, načež se vlivem tektoniky desek zemské kůry postupně propadají do pláště. úroveň CO₂klesá a klima se ochlazuje.

Význam tohoto mechanismu pro naši planetu lze jen stěží přeceňovat. Představte si na vteřinu poruchu uhlíkové klimatizace: řekněme, že sopky přestaly vybuchovat a již nedodávají oxid uhličitý z útrob Země, který tam kdysi sestupoval se starými kontinentálními deskami. Hned první zalednění se stane doslova věčným, protože čím více ledu na planetě, tím více slunečního záření odráží do vesmíru. A nová část CO₂ nebude moci rozmrazit planetu: nebude mít odkud pocházet.

Přesně tak by to teoreticky mělo být na planetách-oceánech. I když vulkanická činnost může občas prorazit skořápku exotického ledu na dně planetárního oceánu, není na tom nic dobrého. Na povrchu mořského světa totiž prostě nejsou žádné kameny, které by mohly vázat přebytečný oxid uhličitý. To znamená, že může začít jeho nekontrolovaná akumulace a tím i přehřívání planety.

Něco podobného – pravda, bez jakéhokoli planetárního oceánu – se stalo na Venuši. Na této planetě také neexistuje žádná desková tektonika, i když není vlastně známo, proč k tomu došlo. Proto tamní sopečné erupce, které občas prorazí kůrou, uvolňují do atmosféry hodně oxidu uhličitého, ale povrch ho nedokáže vázat: kontinentální desky neklesají a nové nevystupují nahoru. Proto povrch stávajících desek již navázal veškerý CO₂, která by mohla a nemůže absorbovat více a na Venuši je tak horko, že tam olovo vždy zůstane kapalinou. A to i přesto, že podle modelování by tato planeta s atmosférou Země a uhlíkovým cyklem byla obyvatelným dvojčetem Země.

Existuje život bez klimatizace?

Kritici „pozemského šovinismu“(postoj, že život je možný pouze na „kopiích Země“, planetách s přísně pozemskými podmínkami) si okamžitě položili otázku: proč se vlastně všichni rozhodli, že nerosty nebudou schopny prorazit vrstva exotického ledu? Čím pevnější a neprostupnější je víčko nad něčím horkým, tím více energie se pod ním hromadí, která má tendenci praskat. Zde je stejná Venuše - desková tektonika jako by neexistovala a oxid uhličitý unikal z hlubin v takovém množství, že z něj není život v doslovném smyslu slova. V důsledku toho je totéž možné s odstraňováním minerálů směrem nahoru - pevné horniny během sopečných erupcí zcela padají vzhůru.

I tak ale zůstává další problém – „rozbitá klimatizace“uhlíkového cyklu. Může být oceánská planeta obyvatelná bez něj?

Ve sluneční soustavě je mnoho těles, na kterých oxid uhličitý vůbec nehraje roli hlavního regulátoru klimatu. Tady je řekněme Titan, velký měsíc Saturnu.

Titan. Foto: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, University of Nantes, Virginia Pasek, University of Arizona

Těleso je ve srovnání s hmotností Země zanedbatelné. Vzniklo však daleko od Slunce a záření svítidla z něj „nevypařilo“lehké prvky včetně dusíku. To dává Titanu atmosféru téměř čistého dusíku, stejného plynu, který dominuje naší planetě. Hustota jeho dusíkové atmosféry je ale čtyřikrát větší než naše – s gravitací je sedmkrát slabší.

Při prvním pohledu na klima Titanu je ustálený pocit, že je extrémně stabilní, ačkoliv zde není žádná „uhlíková“klimatizace v přímé podobě. Stačí říci, že teplotní rozdíl mezi pólem a rovníkem Titanu je pouhé tři stupně. Pokud by byla stejná situace na Zemi, planeta by byla mnohem rovnoměrněji osídlena a obecně vhodnější pro život.

Výpočty řady vědeckých skupin navíc ukázaly: s hustotou atmosféry pětkrát vyšší než na Zemi, tedy o čtvrtinu vyšší než na Titanu, dokonce i samotný skleníkový efekt dusíku stačí k poklesu teplotních výkyvů. téměř na nulu. Na takové planetě by ve dne i v noci, jak na rovníku, tak na pólu, byla teplota vždy stejná. O něčem takovém si pozemský život může nechat jen zdát.

Planety-oceány jsou z hlediska své hustoty právě na úrovni Titanu (1,88 g/cm³), nikoli Země (5,51g/cm³). Řekněme, že tři planety v obyvatelné zóně TRAPPIST-1 40 světelných let od nás mají hustotu od 1,71 do 2,18 g/cm³. Jinými slovy, s největší pravděpodobností mají takové planety více než dostatečnou hustotu dusíkové atmosféry, aby měly stabilní klima díky samotnému dusíku. Oxid uhličitý je nedokáže proměnit v rozžhavenou Venuši, protože opravdu velká masa vody dokáže vázat hodně oxidu uhličitého i bez jakékoli deskové tektoniky (oxid uhličitý je pohlcován vodou a čím vyšší tlak, tím více ho může obsahovat).

Hlubokomořské pouště

S hypotetickými mimozemskými bakteriemi a archaeami se vše zdá být jednoduché: mohou žít ve velmi obtížných podmínkách a k tomu vůbec nepotřebují nadbytek mnoha chemických prvků. S rostlinami a vysoce organizovaným životem žijícím na jejich úkor je to složitější.

Oceánské planety tedy mohou mít stabilní klima – velmi pravděpodobně stabilnější než Země. Je také možné, že ve vodě je znatelné množství minerálních látek rozpuštěných. A přesto tam život vůbec není masopust.

Pojďme se podívat na Zemi. S výjimkou posledních milionů let je jeho země extrémně zelená, téměř bez hnědých nebo žlutých skvrn pouští. Oceán ale vůbec nevypadá zeleně, kromě některých úzkých pobřežních zón. proč tomu tak je?

Jde o to, že na naší planetě je oceán biologickou pouští. Život vyžaduje oxid uhličitý: „buduje“rostlinnou biomasu a pouze z něj lze živit biomasu živočišnou. Pokud je CO ve vzduchu kolem nás₂ více než 400 ppm jako nyní, vegetace kvete. Pokud by to bylo méně než 150 dílů na milion, všechny stromy by zemřely (a to se může stát za miliardu let). S méně než 10 díly CO₂ na milion by všechny rostliny obecně zemřely a s nimi všechny skutečně složité formy života.

Na první pohled by to mělo znamenat, že moře je skutečnou oblastí pro život. Zemské oceány totiž obsahují stokrát více oxidu uhličitého než atmosféra. Stavebního materiálu pro rostliny by proto mělo být hodně.

Ve skutečnosti nic není dále od pravdy. Voda v pozemských oceánech je 1,35 kvintilionů (miliardy miliard) tun a atmosféra je něco málo přes pět kvadrilionů (miliardy miliard) tun. To znamená, že v tuně vody je znatelně méně CO.₂než tuna vzduchu. Vodní rostliny v pozemských oceánech mají téměř vždy mnohem méně CO₂ k dispozici než ty pozemské.

Aby toho nebylo málo, vodní rostliny mají dobrou rychlost metabolismu pouze v teplé vodě. Konkrétně v něm CO₂ nejméně ze všech, protože jeho rozpustnost ve vodě klesá s rostoucí teplotou. Řasy proto – ve srovnání se suchozemskými rostlinami – existují za podmínek neustálého kolosálního nedostatku CO.₂.

Pokusy vědců spočítat biomasu suchozemských organismů proto ukazují, že moře, které zabírá dvě třetiny planety, se na celkové biomase podílí nevýznamně. Vezmeme-li celkovou hmotnost uhlíku – klíčového materiálu v suché hmotě jakéhokoli živého tvora – obyvatele země, pak se rovná 544 miliardám tun. A v tělech obyvatel moří a oceánů - pouhých šest miliard tun, drobky z mistrova stolu, o něco více než procento.

To vše může vést k názoru, že život na planetách-oceánech je sice možný, ale bude velmi, velmi nevzhledný. Biomasa Země, pokud by byla pokryta jedním oceánem a všechny ostatní věci by byly stejné, by byla, pokud jde o suchý uhlík, pouze 10 miliard tun - padesátkrát méně než nyní.

I zde je však příliš brzy na konec vodních světů. Faktem je, že již při tlaku dvou atmosfér je množství CO₂, který se může rozpustit v mořské vodě, více než dvojnásobně (pro teplotu 25 stupňů). S atmosférou čtyřikrát až pětkrát hustší než má Země – a to je přesně to, co byste očekávali na planetách jako TRAPPIST-1e, g a f – může být ve vodě tolik oxidu uhličitého, že se voda místních oceánů začne přibližovat. zemský vzduch. Jinými slovy, vodní rostliny na planetách a oceánech se nacházejí v mnohem lepších podmínkách než na naší planetě. A kde je více zelené biomasy a zvířata mají lepší potravinovou základnu. To znamená, že na rozdíl od Země nemusí být moře planet-oceánů pouští, ale oázami života.

Sargasové planety

Co ale dělat, když má oceánská planeta kvůli nedorozumění stále hustotu zemské atmosféry? A všechno tady není tak špatné. Na Zemi mají řasy tendenci se přichytávat na dně, ale tam, kde k tomu nejsou podmínky, se ukazuje, že vodní rostliny mohou plavat.

Některé sargasové řasy používají vzduchem naplněné váčky (připomínají hrozny, odtud portugalské slovo „sargasso“ve jménu Sargasového moře) k zajištění vztlaku a teoreticky vám to umožňuje přijímat CO₂ ze vzduchu, a ne z vody, kde je ho málo. Díky jejich vztlaku je pro ně snazší provádět fotosyntézu. Je pravda, že takové řasy se dobře množí pouze při poměrně vysokých teplotách vody, a proto jsou na Zemi relativně dobré pouze na některých místech, jako je Sargasové moře, kde je voda velmi teplá. Pokud je oceánská planeta dostatečně teplá, pak ani hustota atmosféry Země není pro mořské rostliny nepřekonatelnou překážkou. Mohou klidně brát CO₂ z atmosféry, čímž se vyhnete problémům s nízkým obsahem oxidu uhličitého v teplé vodě.

Sargasové řasy. Foto: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

Zajímavé je, že plovoucí řasy ve stejném Sargasovém moři dávají vzniknout celému plovoucímu ekosystému, něčemu jako „plovoucí zemi“. Žijí tam krabi, kterým stačí vztlak řas k tomu, aby se na jejich povrchu pohybovaly jako na pevnině. Teoreticky v klidných oblastech oceánské planety mohou plovoucí skupiny mořských rostlin vyvinout docela „suchozemský“život, i když samotnou pevninu tam nenajdete.

Zkontrolujte své privilegium, pozemšťane

Problém identifikace nejslibnějších míst pro hledání života spočívá v tom, že zatím máme málo údajů, které by nám umožnily vyčlenit nejpravděpodobnější nositele života mezi kandidátskými planetami. Samotný koncept „obyvatelné zóny“zde není tím nejlepším pomocníkem. V něm jsou za vhodné pro život považovány ty planety, které od své hvězdy dostávají dostatečné množství energie, aby podpořily zásobníky kapaliny alespoň na části svého povrchu. Ve Sluneční soustavě jsou Mars i Země v obyvatelné zóně, ale při prvním složitém životě na povrchu je nějak nepostřehnutelný.

Především proto, že se nejedná o stejný svět jako Země, se zásadně odlišnou atmosférou a hydrosférou. Lineární zobrazení ve stylu „planeta-oceán je Země, ale pouze pokrytá vodou“nás může přivést do stejného klamu, jaký existoval na začátku 20. století o vhodnosti Marsu pro život. Skutečné oceánidy se mohou od naší planety výrazně lišit – mají úplně jinou atmosféru, jiné mechanismy stabilizace klimatu a dokonce i jiné mechanismy zásobování mořských rostlin oxidem uhličitým.

Detailní pochopení toho, jak vlastně vodní světy fungují, nám umožňuje předem pochopit, jaká pro ně bude obyvatelná zóna, a tak rychle přistoupit k detailnímu pozorování takových planet v Jamesi Webbovi a dalších slibných velkých dalekohledech.

Když to shrneme, nelze než připustit, že až donedávna naše představy o tom, které světy jsou skutečně obydlené a které ne, příliš trpěly antropocentrismem a geocentrismem. A jak se nyní ukazuje, ze „sushcentrismu“– názoru, že pokud jsme my sami vznikli na souši, pak je to nejdůležitější místo ve vývoji života, a to nejen na naší planetě, ale i na jiných sluncích. Snad postřehy příštích let nenechají z tohoto pohledu kámen na kameni.