Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

Учитывая все это, хочется призвать журналистов, сообщающих об открытии новых экзопланет, к большей сдержанности в оценках, Они часто бездумно используют термин «зона жизни», подразумевая наличие на таких планетах условий для существования жизни. В действительности нахождение в зоне жизни не говорит нам ничего об особенностях среды на поверхности планеты. Оно просто означает, что, если бы поверхность такой планеты была точно такой, как на Земле, вода в вашем стакане, окажись вы на ней, оставалась бы жидкой. Чтобы внести ясность в эту терминологическое путницу, ученые предприняли попытку переименовать зону жизни в «зону умеренных температур». Здесь акцент переносится на наличие благоприятного количества света от звезды без каких-либо намеков на медведей и овсянку. В дальнейшем мы будем следовать этой традиции, чтобы у читателя не возникало ощущения, что его водят за нос.

При самом простом способе определения местонахождения зоны умеренных температур, исходят из допущения, что планета нагревается исключительно светом, который добирается до нее от звезды. Проведя такой расчет для Земли, получим среднюю температуру на поверхности, равную всего лишь 5,3 °C. На самом деле ситуация усугубляется тем, что около трети солнечного тепла Земля отражает, поэтому расчетное значение температуры придется понизить до –18 °C. При такой температуре замерзнут все поверхностные воды, и мы окажемся за пределами области умеренных температур вокруг Солнца, которая будет простираться от 0,47 до 0,87 а.е.[32] В этом случае идеальным местом для жизни была бы Венера, а Земля превратилась бы в большой «снежок». К счастью, средняя температура на поверхности Земли составляет 15 °C — на 33 °C выше результата, полученного путем простейшего расчета. Разницей этой мы обязаны тому, что атмосфера выступает в роли естественной теплицы, удерживающей тепло нашей планеты.

Поверхность Земли поглощает проходящее через атмосферу оптическое излучение Солнца. При этом планета нагревается и повторно излучает полученную энергию в виде тепла в инфракрасном диапазоне. Убедиться в этом можно в любой солнечный день. Если потрогать почву ровно в полдень, когда Солнце стоит прямо над головой, она покажется прохладной. Всего через пару часов она может разогреться настолько, что вы не сможете ходить по ней босиком. Между этими двумя крайними состояниями почва поглощает солнечные лучи, чтобы потом отдать их энергию в виде инфракрасного излучения.

Если оптическое излучение может беспрепятственно проходить через земную атмосферу к поверхности планеты, то инфракрасное излучение встречает на своем пути препятствие. Из-за большей длины волны атмосфера поглощает его, не давая покинуть планету. При этом атмосфера нагревается и отражает часть инфракрасного излучения обратно на Землю. Поверхность планеты подвергается дополнительному нагреву благодаря образованному атмосферой защитному покрову. Это явление назвали парниковым эффектом, поскольку прозрачная конструкция для выращивания овощей точно так же нагревает почву за счет удержания инфракрасного излучения и нагретого воздуха внутри остекленного пространства.

Количество энергии инфракрасного излучения, которое остается в атмосфере, зависит от поглощающих его молекул. Основными парниковыми газами в воздухе над поверхностью Земли являются водяной пар и углекислый газ. На водяной пар приходится две трети поглощающих инфракрасное излучение молекул. Еще четверть приходится на углекислый газ. Остальные несколько процентов обеспечиваются различными газами, включая метан, диоксид азота, озон и созданные человеком хлорфторуглероды.

Если сократить расстояние от Земли до Солнца, интенсивность проникающего в атмосферу ультрафиолетового излучения увеличится. Температура на планете повысится, что приведет к переходу большего количества воды в пар. Из-за резкого скачка содержания водяного пара в воздухе парниковый эффект усилится, а значит, больше тепла будет удерживаться в атмосфере. Как следствие, произойдет дальнейшее увеличение температуры поверхности Земли.

Земля может компенсировать рост температуры путем сокращения количества углекислого газа. Этот парниковый газ вступает в реакцию с дождевой водой, превращая ее в углекислоту, которая выпадает в виде так называемого кислотного дождя. При попадании на поверхность планеты кислая дождевая вода растворяет горные породы, вступая во взаимодействие с ними в рамках процесса химического выветривания, приводящего к образованию богатых углеродом минералов. Растворенные минеральные вещества смываются в океан, образуя твердые соединения углерода, такие как меловой карбонат кальция[33] и известняк. В ходе этого процесса углерод удаляется из атмосферы, и планета охлаждается.

Углерод может возвращаться в атмосферу через жерла вулканов. При столкновении образующих земную кору гигантских тектонических плит одни из них погружаются под другие (этот процесс называют субдукцией). Вызываемое движением нижней плиты трение приводит к плавлению горных пород и высвобождению углекислого газа. Газ и силикатные породы прорываются на поверхность через вулканы. При этом формируются новые наслоения, а углекислый газ выбрасывается обратно в атмосферу.

Циклическое перемещение углерода называют циклом углерода. Он выступает в качестве своего рода термостата, корректирующего температуру Земли. Если планета начинает нагреваться, большее количество воды превращается в пар, и, как следствие, увеличивается интенсивность осадков. Это, в свою очередь, приводит к более активному взаимодействию углекислоты с горными породами, в результате которого она выводится из атмосферы. Из-за снижения содержания углекислого газа атмосфера задерживает меньше инфракрасного излучения, и планета охлаждается. И наоборот: когда температура на поверхности Земли опускается слишком низко, образуется лед, и количество осадков уменьшается. В более суровых климатических условиях интенсивность взаимодействия кислой воды и горных пород также снижается. При этом не только падает количество выводимого из атмосферы углекислого газа, но его становится еще и больше благодаря вулканической активности. Таким образом, количество парниковых газов увеличивается, атмосфера удерживает больше тепла, и планета нагревается.

Несмотря на свою эффективность, природный термостат работает очень медленно: цикл переноса углерода между атмосферой, горными породами и морями занимает 100–200 млн лет. Как раз в этой медлительности и заключается причина того, почему деятельность человека приводит к повышению температуры Земли: мы накачиваем атмосферу парниковыми газами намного быстрее, чем они могут быть выведены из нее путем химического выветривания. Если объем углекислого газа, попадающего в атмосферу в результате вулканической активности, составляет несколько сотен миллионов тонн в год, то выбросы от сжигания ископаемых видов топлива превышают его в сто раз, приближаясь к 30 млрд тонн.

Да, благодаря циклу углерода Земле удается справляться с незначительными колебаниями интенсивности солнечного излучения. Но его возможности далеко не безграничны. Если Земля окажется слишком близко к Солнцу, она не сможет оперативно среагировать на рост содержания водяного пара в атмосфере путем сокращения количества углекислого газа. Поэтому планета продолжит нагреваться, пара в атмосфере станет еще больше, а парниковый эффект усилится. При температуре 100 °C и выше выпадение осадков прекращается, процесс выведения углекислого газа прерывается. В результате испарения воды и вулканической активности в атмосфере продолжают накапливаться парниковые газы, температура непрерывно повышается. В условиях высоких температур углерод высвобождается из горных пород в атмосферу и вступает в реакцию с кислородом, еще больше увеличивая содержание в ней углекислого газа. Запускается необратимый цикл нагрева планеты, который завершается полным исчезновением воды с ее поверхности.