В свете последних исследований космоса, когда фокус внимания смещается с нашей планетной системы на внешние, возникает вопрос: как нам найти планету, на которой возможна жизнь? Как никак, в Солнечной системе только на Земле жизнь возникла и достигла современной формы цивилизации. Этого не случилось ни на Венере, ни на Марсе - планетах, которые по своим размерам и положению практически сходны с Землей. Что же такого есть у нашей планеты? И как нам определять в других звездных системах потенциальных кандидатов на пригодность для жизни? Попробуем ответить на эти вопросы, используя современные знания.
Огромная теплица
В астрофизике есть термин «зона умеренных температур». Это такая область в звездной системе, в которой планета получает достаточно тепла для развития и поддержания жизни. Астрофизики берут в расчет именно свет от самой звезды, не учитывая внешних факторов. Так вот, если бы Земля нагревалась только за счет света от Солнца, то температура на ней была бы всего 5 градусов. Хуже того, поскольку планета также отражает свет (за счет эффекта Альбедо), температура на нашей планете должна быть еще ниже - минус 18 градусов. В итоге Земля оказывается вовсе за пределом зоны умеренных температур, тогда как, например, Венера, вписывается в эту зону практически идеально.
Но почему все-таки на Земле температура выше, чем должна быть, согласно приведенным выше расчетам? Все дело в парниковом эффекте, достигаемом за счет атмосферы. Средняя температура на Земле составляет 15 градусов именно потому, что тепло удерживается на поверхности и разогревает планету. Излучение Солнца проходит через атмосферу и поглощается поверхностью. Планета отдает тепло назад в инфракрасном диапазоне. И если лучи Солнца помех на пути к Земле не встречают, то вот обратное излучение - от Земли - задерживается атмосферой, поскольку инфракрасный спектр имеет большую длину волны. Более того, часть излучения возвращается назад к поверхности, нагревая ее еще сильнее. Такой же принцип действия лежит в основе обычной огородной теплицы - она задерживает инфракрасное излучение.
Чтобы парниковый эффект был возможен и поддерживал комфортную для жизни температуру, атмосфера должна иметь определенный состав. На нашей планете большую часть излучения поглощают водяной пар и углекислый газ. Они сосуществуют в идеальном балансе, создавая определенный круговорот тепла. Углекислый газ в атмосфере задерживает инфракрасное излучение, тем самым усиливая парниковый эффект. Именно поэтому экологи сегодня бьют тревогу по поводу увеличения количества автомобилей и выхлопов от них - это увеличивает концентрацию углекислого газа.
Перегрева не случается по причине дождей. Углекислый газ в реакции с водой превращается в углекислоту, которая выпадает в качестве кислотного дождя. На поверхности она растворяет горные породы и образует богатые углеродом минералы - например, известняк и меловой карбонат кальция. Обратно в атмосферу углекислый газ возвращается через деятельность вулканов, а также живых организмов (например, простое дыхание). Этот процесс называется углеродным циклом, и он представляет собой регулировочный термостат нашей планеты.
Будь наша планета ближе к Солнцу, она получала бы больше тепла и осадки были невозможны, потому что вся вода превратилась в пар. Соответственно, углекислый газ также не смог выпадать в осадки и постоянно задерживал инфракрасное излучение от поверхности. Такая планета быстро бы превратилась в раскаленное пекло - нагретую до чудовищной температуры теплицу, в которой привычная нам жизнь невозможна. В конце концов, вода бы полностью испарилась, и атмосферу составлял только углекислый газ с незначительными примесями. Подобный сценарий скорее всего произошел на Венере - планете, которая как раз находится ближе к Солнцу, чем мы. Массивный слой ее атмосферы более чем на 90 процентов состоит из углекислого газа, а температура на поверхности достигает больше 400 градусов.
Магнитный защитник
Хорошо, Венера - пылающий ад, потому что терморегулировка там «слетела». Но что насчет Марса? Все-таки эта планета находится не так далеко от нас, там состав атмосферы мог быть похожим, верно? У Марса есть другая проблема. У него нет магнитного поля. Точнее, оно очень слабое и можно считать, что его практически нет.
Почему наличие магнитного поля важно для планеты? Все дело в том, что Солнце испускает поток заряженных частиц, называемых солнечным ветром. Также наша звезда периодически выбрасывает наружу часть солнечного вещества - это называется корональным выбросом массы. Такие выбросы на Земле могут вызывать геомагнитные бури, которые нарушают работу электроники и GPS. По большей части, они воспринимаются практически незаметно, поскольку магнитное поле Земли отталкивает солнечное вещество.
Однако у Марса магнитное поле очень слабое, и подобные выбросы оказывают на красную планету гораздо более губительный эффект. В 2015 году корональный выброс Солнца достиг Марса и смел с него внушительную часть атмосферы. Кроме того, солнечный ветер ежесекундно «выщипывает» с красной планеты до 100 грамм газов. Поэтому, хотя наши планеты очень похожи, плотность марсианской атмосферы составляет всего 1 процент от земной.
Почему у Марса нет более сильного магнитного поля, такого, как у нас? Исследования астрофизиков говорят, что оно было, но со временем исчезло. Магнитосфера нашей планеты остается активной из-за того, что ядро планеты все время разогревается. Электропроводящий металл создает ток и, в свою очередь, образует магнитное поле, но работа ядра тоже является результатом тонкого баланса. Наша планета вращается, что способствует перемещению металла в ядре. Также ему помогают конвекционные потоки - теплая жидкость поднимается вверх к поверхности, а холодная опускается вниз к ядру. Такое постоянное движение не дают магнитному полю «выключиться» на протяжении уже 4 млрд лет.
У Марса магнитосфера исчезла как раз 4 млрд лет назад. Называют несколько причин. Во-первых, Марс меньше Земли по размерам, и он быстрее охлаждается. Скорее всего, механизм конвекционных потоков просто не мог обеспечивать постоянный нагрев ядра, и со временем оно остыло. Движение металла внутри планеты прекратилось. Во-вторых, Марс мог столкнуться с астероидом, что нарушило движение вещества в ядре. Этому есть подтверждения - например, формирование Великой северной равнины на Марсе называют результатом столкновения с крупным небесным телом примерно 2000 км в диаметре. Удар такого гиганта 4 млрд лет назад наверняка должен был повлиять на движение потоков в ядре и в результате ослабил магнитное поле.
Впрочем, каковы бы ни были причины отсутствии магнитного поля у Марса, результат мы видим на фотографиях зондов - планета напоминает безжизненную пустыню, хотя и находится в пределах подходящей температуры для жизни.
***
Еще в середине XX века Венера и Марс манили ученых и писателей-фантастов как потенциальные обитаемые миры. Когда мы изучили их, оказалось, что законы физики и химии неумолимы. Небольшие сдвиги в количестве тепла, составе атмосферы и движении коры решают судьбу планеты - окажется она пригодной для так хорошо знакомой нам углеродной жизни или нет. Венера стала жертвой неконтролируемого парникового эффекта, а с Марса «сдуло» атмосферу, потому что в его центре не сформировалось гигантского магнита. Если мы в будущем серьезно задумаемся о терраформировании других планет «под Землю» или сможем добраться до планет вне Солнечной системы, то на эти два условия для жизни - углеродный цикл и магнитное поле - надо обращать пристальное внимание.
***
Если вам понравилась статья, вы можете поставить отметку «нравится». Если есть с чем поспорить, пишите в комментарии - мне интересно альтернативное мнение. Также вы можете подписаться на канал. Я пишу материалы о науке, истории и психологии.