Неравновесие углеродного цикла: ключ к обитаемости землеподобных планет

Определение обитаемости планеты не сводится только к наличию или отсутствию жидкой воды. Даже экзопланета с низким содержанием воды может быть негостеприимной, независимо от того, находится она в так называемой обитаемой зоне или нет. Земля, единственная известная обитаемая планета, зависит от своего углеродного цикла для поддержания условий, подходящих для жизни. Этот цикл, в свою очередь, зависит от наличия воды, и экзопланеты, лишенные ее, имеют малые шансы на поддержание углеродного цикла, что серьезно ставит под сомнение их перспективы обитаемости в долгосрочной перспективе. Новое исследование, опубликованное в The Planetary Science Journal, рассматривает необходимое содержание воды для обитаемости экзопланет, используя Венеру в качестве яркого примера.

Исследователи Хаскелл Уайт-Джанелла и Джошуа Криссансен-Тоттон из Университета Вашингтона подчеркивают, что на Земле количество воды на поверхности достаточно для поддержания сбалансированного геологического углеродного цикла: выветривание силикатов компенсирует вулканическое выделение CO₂. Водяные пары в атмосфере Земли соединяются с углекислым газом, образуя угольную кислоту. Эта слабая и нестабильная кислота слегка подкисляет все дождевая вода. На геологических временных масштабах она играет важную роль в углеродно-силикатном цикле Земли, также известном как цикл Юрея. Этот цикл, являющийся частью углеродного цикла, позволяет удалять углерод из атмосферы на длительные сроки. Слабая кислота растворяет силикатные породы, а стоковые воды попадают в океаны. Они накапливаются на дне океанов, где тектоника плит в конечном итоге захороняет их в коре. Таким образом, углерод из атмосферы секвестрируется в земной коре. Без этого цикла углерод продолжал бы накапливаться в атмосфере, вызывая неконтролируемый парниковый эффект, как это произошло на Венере.

На сухих планетах может оказаться, что количество воды на поверхности недостаточно для того, чтобы механизм регулирования через выветривание силикатов поддерживал условия, пригодные для жизни.

Уайт-Джанелла и Криссансен-Тоттон исследовали аридные планеты с очень ограниченным количеством воды на поверхности, значительно меньшим, чем на Земле. Многие из этих планет находятся в обитаемой зоне своей звезды, но это не гарантирует их реальную обитаемость. Исследователи разработали детализированные модели, чтобы понять аридные планеты и их способность поддерживать важный цикл карбонатов и силикатов. Они смоделировали эволюцию геологического углеродного цикла, отслеживая потоки воды и углерода между внутренней частью планеты и атмосферно-океанической системой.

Моделирование основано на 18 переменных, включая скорость утечки водорода из атмосферы, скорость вулканического выделения, долю поверхности, покрытой сушей, общую температуру, концентрацию минералов в первичных породах, пористость пород, долю дождевой воды, превращающейся в сток, и многие другие. Эти модели опираются на наше растущее понимание углеродного цикла Земли и того, как он регулирует температуру.

Результаты показывают, что аридные землеподобные планеты могут иметь неравновесные геологические углеродные циклы из-за ограничений потока по сравнению с выветриванием, что может привести к потере обитаемости и неконтролируемому потеплению. Даже если планета находится в обитаемой зоне, где температура достаточна для наличия жидкой воды, она может стать непригодной для жизни, если на ее поверхности недостаточно воды для балансировки потоков выделения и выветривания, объясняют авторы.

Аридная планета может все же иметь цикл Юрея. Ей не нужно столько воды, сколько на Земле, но необходима значительная ее доля. Уайт-Джанелла и Криссансен-Тоттон показывают, что землеподобные планеты требуют начального количества воды на поверхности не менее 20-50% от массы океанов Земли для поддержания сбалансированного геологического углеродного цикла и умеренной температуры на поверхности на протяжении 4,5 миллиардов лет эволюции. Аридные планеты, имеющие менее 20-50% от океанов Земли, не могут поддерживать высокие потоки выветривания силикатов, что может привести к неконтролируемому увеличению атмосферного CO₂.

Поскольку очень трудно определить, что происходит на далеких аридных экзопланетах, исследователи обратили внимание на нашу соседку Венеру. Исследование показывает, что ограниченное количество воды на поверхности могло дестабилизировать углеродный цикл Венеры, вызвав переход от умеренного климата к негостеприимному. Текущая поверхность Венеры непригодна для жизни, с средней температурой 460 °C, давлением на поверхности, в 92 раза превышающим земное, и плотной атмосферой, состоящей в основном из CO₂. Однако Венера могла быть обитаемой в прошлом, при слабом излучении молодого Солнца. Неопределенности относительно облачной обратной связи и альбедо Венеры, а также ее атмосферной эволюции ставят ее на границу внутренней обитаемой зоны, где момент и триггер ее парникового эффекта остаются неясными.

Глобальные климатические модели демонстрируют, что с достаточным дневным облачным покровом и медленным вращением поверхность Венеры могла поддерживать обитаемые температуры до 715 миллионов лет назад. Среди физических доказательств умеренного климата прошлого можно найти возможные остатки континентальной коры, которые обычно формируются в присутствии воды, а также соотношения D/H, указывающие на наличие значительных запасов воды на поверхности в прошлом, хотя и не обязательно конденсированной. В то же время, некоторые данные поддерживают гипотезу о парниковом эффекте на Венере с момента ее формирования. Предполагается, что корковые плато Венеры являются фельзическими, но плато, состоящие из фельзических минералов, вероятно, разрушились бы под воздействием вязкости и течения нижней коры. Кроме того, динамика атмосферы и облаков после аккреции могла помешать конденсации жидкой воды на поверхности, как показали исследования Турбета и др. в 2021 году.

Хотя климат Венеры в прошлом остается неопределенным, если она была обитаемой, то она обязательно претерпела значительное климатическое изменение, чтобы достичь своих современных условий. Одно из возможных объяснений нынешнего негостеприимного состояния Венеры заключается в том, что увеличение солнечной яркости привело к повышенному излучению, нагревшему ее когда-то обитаемую поверхность и в конечном итоге вызвавшему парниковый эффект. В этом сценарии вся вода на поверхности испарилась, а затем фотодиссоциация воды привела к быстрой утечке водорода, что привело к нынешней сухой атмосфере, доминирующей CO₂. Однако одно лишь увеличение яркости не может объяснить переход от обитаемого к негостеприимному климату. Порог парникового эффекта зависит от альбедо и составов атмосферы, которые регулируются долгосрочными взаимодействиями между атмосферой и внутренней частью планеты. Увеличение солнечного излучения лишь увеличивает дневной облачный покров, а значит, и альбедо. Эта стабилизирующая обратная связь между облаками и альбедо могла позволить поддерживать умеренные условия на поверхности Венеры, даже при нынешнем уровне солнечного излучения.

По мнению исследователей, еще одной причиной нынешнего негостеприимного состояния Венеры может быть внешний фактор, помимо увеличения ее яркости, который положил конец периоду обитаемости. MJ Way и AD Del Genio предположили в 2020 году, что обитаемые условия могли даже сохраняться до настоящего времени без катастрофической вулканической активности, вызванной глобальным или почти непрерывным resurfacing, который мог бы стать триггером. Однако изменения в выделении газов сами по себе могут быть недостаточными для того, чтобы вызвать постоянное изменение климата. Если на Венере когда-то была жидкая вода на поверхности, выветривание силикатов могло бы регулировать концентрации CO₂ в атмосфере, даже при наличии быстрого вулканического выделения. Кроме того, извержения крупных игнихеновых провинций выставляют свежую базальтовую породу на поверхность, значительно увеличивая снижение CO₂ за счет химического выветривания. Маловероятно, что изменения в выделении газов сами по себе могли бы дестабилизировать климат, где активна обратная связь углерод-силикат. Также необходимы ограничения на выветривание, согласно мнению Уайт-Джанеллы и Криссансена-Тоттона.

Обратная связь по декарбонизации, связанная с стагнацией тектонической основы, также была предложена в 2021 году Хёнигом и др. как объяснение окончания обитаемости Венеры. Однако неизвестно, находилась ли первичная Венера в режиме тектонической стагнации, и некоторые данные указывают на локализованную субдукцию.

Таким образом, Уайт-Джанелла и Криссансен-Тоттон исследуют альтернативное объяснение текущего состояния Венеры после парникового эффекта. По их мнению, Венера могла изначально иметь низкие запасы воды на поверхности, что подтверждается моделями затвердевания магматических океанов, а также моделями планетарного формирования, демонстрирующими стохастические вариации в начальных запасах воды землеподобных планет в солнечной системе, и тем фактом, что Венера, вероятно, образовалась в более горячей области проксима-диска, бедной летучими соединениями по сравнению с Землей. В этом начальном аридном режиме нехватка осадков, вероятно, ограничила бы выветривание силикатов и снижение CO₂. В отсутствие механизма регулирования выветривания силикатов для компенсации выделения углерода CO₂ мог бы накапливаться в атмосфере, нагревая поверхность до полного исчезновения воды, что объясняет ее текущее состояние. Таким образом, Венера в конечном итоге потеряла свою воду, и любая форма жизни, даже простейшая, исчезла.

Таким образом, даже такая планета, как Венера, находящаяся в обитаемой зоне своей звезды, может стать непригодной для жизни, если она немного аридна, из-за неравновесия углеродного цикла.

Эти исследования показывают, что упрощенное определение обитаемой зоны является лишь отправной точкой. Обитаемость зависит от гораздо большего, чем простая близость к звезде; однако в настоящее время это все, что мы можем измерить. Даже если планета находится в обитаемой зоне своей звезды, если она аридна, она может быстро стать непригодной для жизни из-за неравновесия углеродного цикла.

По словам исследователей, хотя многие планеты могут быть обитаемыми в течение коротких периодов и даже позволять появление простой жизни, в отношении долгосрочной обитаемости, необходимой для возникновения сложной жизни и цивилизаций, подобных нашей, их количество может быть значительно меньше.