Нова модель для Проксими b: що відбувається на найближчій до Сонця екзопланеті?

У попередні роки астрономи були зайняті непростими пошуками найменших ознак малих небесних тіл, що обертаються навколо віддалених зір. Але з часом даних спостережень ставало все більше, і дослідники почали займатися навіть цікавішою справою — моделюванням умов в інших світах.

Новий погляд на Проксиму b

Наш погляд давно привертала екзопланета, що обертається навколо найближчої до нас зорі. Нещодавно вийшла нова стаття міжнародної групи вчених, у якій розглядаються можливі умови клімату на Проксимі b.

Проксима b є цікавою одразу з декількох причин. По-перше, це найближча до нас екзопланета, розташована на відстані всього 4 світлових років, тож ми можемо не тільки досить легко її відстежувати, але й сподіватися на майбутнє відрядження до неї автоматичних дослідницьких апаратів.

По-друге, це потенційно землеподібна планета, трохи більша за Землю та дещо холодніша. І дуже цікаво було б дізнатися, як насправді виглядає її поверхня. Нам відомо, що більші за Землю планети тяжіють до того, аби бути повністю вкритими океаном. Однак радіус та маса Проксими b були розраховані лише приблизно.

Зоряна система Проксима Центравра
Зображення неба довкола яскравої зорі Альфа Центавра AB. У нижній частині видно червоний карлик Проксима Центавра, найближчу зорю до Сонячної системи. Синє гало навколо Альфа Центавра AB є артефактом фотографічного процесу, зоря насправді має блідо-жовтий колір, як Сонце. Джерело: Digitized Sky Survey 2

По-третє, Проксима Центавра – рідна зоря Проксими b – червоний карлик. Зорі цього типу зустрічаються набагато частіше, ніж представники групи, до якої входить наше Сонце. Це вказує на те, що планет, які обертаються навколо цього типу зір може бути більше. Однак і тут є певні підводні камені. Планети, що обертаються навколо червоних карликів на тих відстанях, що підтримують існування життя, часто виявляються припливно запертими. Вони залишаються постійно обернутими до свого світила одним боком, що може створити на планеті екстремальні кліматичні умови.

Крім того, на червоних карликах, подібних до Проксими Центавра, часто відбуваються потужні спалахи, через що умови на планетах довкола стають схожими на пекло.

Існує чимало припущень щодо того, наскільки магнітне поле, атмосфера та гідросфера екзопланет здатні захищати життя на поверхні від таких вибухів, однак результати цих досліджень залишаються суперечливими.

Найбільш проста одномірна модель клімату планет, що обертаються навколо зір головної послідовності була складена в 2011 році. До цих зір належить і наше Сонце, і Проксима Центавра, а також безліч інших світил навколо нас. Така модель оперує середньою температурою, до якої планету може нагріти її зоря. Також враховується атмосферний склад та парниковий ефект. Водночас, більш складні речі, зокрема потоки повітря та хмарність, дослідники відкинули.

Завдяки цій моделі можна лише приблизно оцінити, наскільки Проксима b потрапляє у той діапазон умов, у якому взагалі можна говорити про якесь життя. Однак завжди залишається ймовірність, що активність зорі вже встигла знищити життя разом з атмосферою планети.

Динамічний океан та атмосфера

У 2014 році китайські дослідники опублікували декілька статей про те, як вони ввели до кліматичної моделі планети на орбіті червоного карлика динамічний океан та атмосферу. Досі в моделях клімату припливно запертих планет домінували патерни “очного яблука”. В такому стані перегріта випромінюванням сонця зона займала більшу частину “денного” боку планети. Вона швидко обривалася, а на “нічній стороні” панувала вічна зима. Зима настільки сувора, що не лише океан, але й атмосфера мала б замерзнути.

Розроблені китайськими дослідниками моделі, які враховували рух океану та атмосфери, переконливо довели, що ніякого замерзання атмосфери відбуватися не буде, оскільки океанічні потоки будуть ефективно переносити тепло на нічний бік. А якщо опромінення від зорі викличе значний парниковий ефект, то й крига на поверхні почне танути, звільняючи ділянки відкритого океану.

У 2015 році дослідники Тіан та Іда опублікували цікаву роботу, у якій розглянули вплив однієї особливості червоних карликів. На початкових стадіях свого існування ці зорі мають світимість, яка є порівнюваною зі світимістю нашого Сонця. Лише за кілька мільйонів, а то й десятків мільйонів років вони тьмяніють у сотні та тисячі разів, перетворюючись на те, що нам добре відомо на прикладі Проксими Центавра.

Хмара пилу та газу довкола Проксима Центавра.
Художнє зображення хмари пилу та газу довкола Проксима Центавра (масштаб поясу відносно зорі змінено). ESO/M. Kornmesser

У такій ситуації еволюція води на планетах земного типу може відбуватися досить драматично. За кілька мільйонів років планети, вкриті шаром води, порівнюваним із земними океанами (середня глибина 3700 метрів), повністю її втрачають. Планети ж, вкриті океаном з глибиною в десятки кілометрів, здатні її зберегти. Водночас, вода з системи не зникає остаточно і частково може повернутися на планети земного типу внаслідок зіткнень з кометами та крижаними тілами з масою до 0,1 маси Землі. Те ж саме дослідження вказує на те, що крижані карликові планети подібного розміру надзвичайно розповсюджені в системах червоних карликів.

Ця робота також цікава тим, що у ній побудовано дуже складну та реалістичну модель океану, у якому не тільки виникають потоки, викликані нагрівом від зорі, але й вода має різну теплоємність та рухається по-різному на різних глибинах. У моделях дослідників океан з глибиною до 900 метрів складався з дев’яти різних шарів.

Після відкриття Проксими b у 2016 році дослідники сконцентрувалися на питанні втрат води, яких планета зазнала за мільйони років сусідства з зорею, на якій періодично відбуваються потужні спалахи. Попри те, що за цей період планета втратила кількість води, яка порівнювана з об’ємом земних океанів, виявилося, що життя на ній цілком можливе за умови, що вона з самого початку мала достатню кількість води. Одночасно було висунуто припущення, що Проксима b може обертатися не синхронно, а у резонансі 3:2 (за два обороти навколо зорі вона встигає обернутися навколо своєї вісі 3 рази). Так зміна дня й ночі на ній, хоч і повільно, але відбувається, а тривалість доби на планеті становить трохи більше, ніж земний тиждень.

Також у 2016 році вийшла інша стаття, у якій було викладено модель того, як на клімат Проксими b може впливати різна солоність води. Думка про те, що підвищена солоність океану може значно знижувати температуру замерзання води та призводити до зменшення зледеніння на полюсах та нічному боці планети, була цілком передбачуваною.

Значно ж цікавішим виявився висновок: якщо нахил планети призводить до того, що її полюси отримують більше сонячного світла, ніж екватор, то рух води в океані буде визначатися не її нагрівом, а солоністю. Течії у цьому випадку будуть спрямовані не від прогрітих зон до холодних, а концентруватися навколо максимуму солоності, який буде у тропічній зоні. Щоправда, автори публікації зазначили, що розглядати солоність у відриві від інших змінних факторів не варто.

Того ж 2016 року вийшла стаття колективу вчених з Європейської південної обсерваторії. Вони опублікували роботу про перше комплексне тривимірне моделювання умов на Проксимі b, як для випадку синхронного обертання, так і для обертання в резонансі 3:2. У ній вони змоделювали клімат на планеті у широкому діапазоні змінних параметрів: атмосферного тиску, кількості води на поверхні, парникового ефекту та наявності криги.

Художнє зображення Проксими b
Художнє зображення Проксими b. Один бік планети завжди залишається у тіні. Джерело: ESO/M. Kornmesser.

Це була перша модель, яка описувала щось схоже на реальну планету, а не спрощене уявлення про неї. Дослідження показали, що вода в рідкому стані на поверхні Проксими b може існувати, хоча для цього необхідні або її значні запаси, які будуть акумулювати енергію від зорі, або достатньо сильний парниковий ефект.

У 2017 році вийшло одразу декілька робіт з моделюванням клімату на Проксимі b з різними припущеннями. В усіх них було визначено умови, за яких ця планета виявиться придатною до життя. Проте ці дослідження показали, що минуле Проксими b могло бути значно складнішим, а можливість існування життя залежить від початкових умов, які могли дуже сильно відрізнятися від сучасних.

Через рік вийшла нова стаття з моделюванням різних складів атмосфери для Проксими b. Дослідження фокусувалося навколо багатих на кисень сумішей, що містять вуглекислий газ та метан, що властиве для атмосфер планет, на яких існує життя. Також було змодельовано, як ці суміші будуть взаємодіяти з жорстким опроміненням, що надходить від Проксими Центавра. Результатом став висновок, що при деяких композиціях атмосфери життя на Проксимі b, рівно як і на інших планетах у системах червоних карликів, дійсно можливе. Дослідники припустили, що значні надходження кисню до атмосфери, які можна спостерігати за допомогою потужного спектрометра, свідчитимуть про значну втрату води, у той час як метан у багатій на кисень атмосфері вказуватиме на наявність стабільної атмосфери.

Щоб звести разом усі ці розрізнені параметри команда Ентоні Дель Дженіо з Інституту космічних досліджень імені Ґоддарда побудувала найдосконалішу модель клімату землеподібної планети на орбіті червоного карлика з усіх наявних. За основу вони взяли розроблену у цьому ж закладі модель ROCKE-3D, яка раніше вже використовувалася на моделюванні клімату екзопланет та базувалася на даних про Венеру. Вони врахували у ній усі розглянуті в попередніх дослідженнях фактори, а також такі, які досі не використовувалися в моделюванні.

ROCKE-3D модель Проксими b
ROCKE-3D модель Проксими b з масивним океаном. Джерело: NASA/GISS

Дослідники врахували чимало нових процесів. У розрахунки потрапило навіть надходження енергії від зорі на різних довжинах хвиль, симуляція потоків у атмосфері та гідросфері, що дозволило отримувати не тільки загальний напрямок руху мас повітря, але й малюнок конвективних течій та хмароутворення. Також у моделі було враховано формування криги та вплив її підвищеного альбедо (здатності до відбиття світла) на клімат планети.

Досі залишається невідомим, як повільне обертання планети впливає на формування океанських течій. Але дослідники у своїй моделі спробували врахувати і цей фактор, припустивши, що на Проксимі b вплив цього фактору сильніший, ніж на Землі. Також було враховано те, що альбедо поверхні океану залежить від того, під яким кутом на неї падає сонячне світло, що у свою чергу залежить від широти та нахилу вісі планети.
Деталізація моделі навіть дозволила врахувати характер поверхні суходолу, там де він був, вміст вологи у ньому, а також утворення річок та озер. Також було застосовано багатошарову модель океану, побудовану Тіаном та Ідою.

Такий підхід дозволив Дель Дженіо та його колегам не просто побачити, як змінюються умови на планеті при тих чи інших параметрах, але й змоделювати 18 різних випадків, кожен із яких являв собою певну характерну і дуже цікаву ситуацію, яка може нам зустрітися на Проксимі b чи іншій землеподібній планеті.

Перший випадок, який виступає як “Контроль” описує Проксиму b як планету, повністю вкриту океаном з опроміненням віз зорі, яке використовувалося в усіх попередніх симуляціях (881 Ват на квадратний метр, що становить 65% від того, що зазвичай отримує Земля).

Атмосфера планети була змодельована схожою на Землю, тобто з тиском 0,984 бар, переважно азотно-киснева, але із вмістом 376 міліграмів вуглекислого газу на кубічний метр. Обертання планети було встановлене як синхронне, а океан змодельовано динамічним із середньою глибиною в 900 метрів. Солоність води в океані була встановлена на рівні 35,4 проміле.

Варіант “Термо” відрізнявся від контролю тим, що океан у ньому було змодельовано таким чином, що закони термодинаміки на нього діяли, але потужні потоки, що призводять до транспортування тепла, не виникали. Це було зроблено для того, аби показати, яку похибку дає “просте” моделювання у порівнянні зі складним.

Варіант “Контроль Високий” відрізнявся від “Контролю” вищим на 10% опроміненням, що надходить від зорі. Це відповідає тим межам, у яких ми визначили цю величину для Проксими b. Варіанти “Контроль Товстий” та “Контроль Тонкий” описують Проксиму b як планету з, відповідно, вдесятеро більшим та вдесятеро меншим за земний атмосферним тиском при тому самому складі.

Ще чотири моделі відповідали різним моделям атмосфери Землі в архейський еон. Такі умови можуть існувати на Проксимі b, якщо життя на ній ще не еволюціонувало до фотосинтезу. “Архей Низький” відрізнявся від “Контролю” вмістом вуглекислого газу на рівні 638 міліграмів на кубічний метр (вдвічі вище, ніж зараз на Землі) та вмістом метану СН4 на рівні 450 міліграмів на метр кубічний.

“Архей Середній” відповідав більш суворій моделі того, що відбувалося на землі 2 мільярди років тому і характеризувався значеннями 900 міліграмів вуглекислого газу на кубічний метр, а також таким самим вмістом метану. “Архей Середній без метану” повністю відповідав своїй назві. Дослідники залишили у ньому концентрацію 900 міліграмів на кубометр СО2, але прибрали СН4. Нарешті, “Архей Високий” являв собою океанічну планету, але з вмістом вуглекислого газу на рівні 10 грамів на метр кубічний (понад 10% атмосферної композиції) та 2 грами метану на метр кубічний.

Варіант “Чистий СО2” був введений для того, аби показати, як впливають на кліматичні умови азот із киснем. У ньому атмосфера все тієї ж екзопланети повністю складається з вуглекислого газу. “Контроль Мілкий” та “Контроль Глибокий” були змодельовані для того, аби подивитися, як впливають на клімат планети наявність глибин та мілини. У першому середня глибина океану становила 158 метрів, а у другому 2052 метри.

Ще два варіанти відрізнялися від контрольного нульовою солоністю та солоністю океанічної води у 230 проміле. Останнє значення приблизно відповідає солоності Мертвого моря на Землі, в якому живуть окремі екстремофільні організми, але звичайної фауни немає. А ще вчені розглянули дві моделі планети, фізичні характеристики яких відповідали контрольному варіанту, але які обертаються не синхронно, а в резонансі 3:2. У першому з них ексцентриситет, тобто міра еліптичності орбіти, становила 0, а в іншому – 0.3.

Сонячний бік

Нарешті було змодельовано два варіанти того, як може впливати на клімат розташування континентів та океанів відносно “сонячного боку”. Варіант “Денний океан” відповідав ситуації, коли розташування суходолу відносно денного боку відповідає Тихому океану на Землі, тобто існує велика океанічна комірка, з усіх боків оточена суходолом. Варіант “Денний Суходіл” відповідав розташуванню на сонячному боці припливно запертої планети великого масиву суходолу, подібного до Євразії та Африки на Землі, що з усіх боків оточені океаном.

Головними значеннями, які оцінювалися для кожного варіанту були температура поверхні (максимальна, мінімальна та середня), відсоток поверхні вкритий снігом чи кригою, планетарне альбедо та вміст водяної пари у атмосфері біля поверхні. В усіх моделях, крім моделі з атмосферою з чистого СО2 середня температура на поверхні була нижчою 0 градусів за Цельсієм. На планеті, що обертається у резонансі 3:2 із нульовим ексцентриситетом максимальна температура також знаходилася трохи нижче за 0 градусів. Однак на жодній зі змодельованих планет крига та сніг не вкривали 100% поверхні.

Цікаво також те, що діапазон максимумів температур у моделях становив усього 34 градуси, а мінімальні температури змінювалися у діапазоні 96 градусів. Це може вказувати на те, що змінні параметри перш за все впливають на те, наскільки холоднішою буде “нічна” півкуля.

Художнє зображення TRAPPIST-1d
Художнє зображення TRAPPIST-1d. Модель гарячого “очного яблука”, коли рідка вода залишається на нічному боці екзопланети. Джерело: NASA/JPL-Caltech

В першу чергу дослідники звернули увагу на те, як виглядає “Контроль”, який є майже копією нашої Землі із тією тільки різницею, що він більший, холодніший та повністю вкритий океаном. Чи не викличе синхронне обертання розділення планети на “розжарену” та “замерзлу” півкулі? Як не дивно, замість “очного яблука”, отриманого у більш ранніх моделях, тут спостерігається шаблон температур схожий на омара. Від “полуденного максимуму” вздовж майже усієї окружності екватора тягнеться тонка зона додатніх температур у напрямку, який відповідає обертанню планети. У західному напрямку на середніх широтах північної та південної півкуль спостерігаються дві “клешні” не дуже довгі, але достатньо широкі.

Цікаво, що таку реакцію атмосфери на стаціонарне джерело опромінення передбачили ще у 60-х роках минулого століття. Вона пояснюється існуванням у океанів двох типів хвиль. Циклонні хвилі Росбі виникають у помірних широтах. Сила Коріоліса надає їм переважно західного напрямку. Хвилі Кельвіна викликані наявністю якогось бокового обмеження, наприклад краю крижаного щита, вздовж якого вони можуть переміщуватися на великі відстані, формуючи тонку смугу теплої води вздовж екватора.

У варіанті “Термо” максимальна температура на поверхні Проксими b виявилася значно вищою за “Контроль” і сягнула 19 градусів за Цельсієм. Разом із тим, відсоток поверхні, вільний від криги тут вдвічі менший за контрольний варіант (усього 20 відсотків поверхні планети позбавлена криги). Це говорить про те, що рух води в океані дійсно дуже сприятливо впливає на клімат планети. Цікаво також те, що максимальна температура у даній симуляції виявилася на 6 градусів нижчою, ніж було встановлено у дуже схожій моделі 2016 року.

Цікаво, що варіант “Контроль Високий”, який передбачав суттєво більше опромінення планети у порівнянні з першим варіантом, показав максимальну та мінімальну температури усього на 6 градусів вище за “Контроль”. Крім того, вже більше ніж половина поверхні планети виявилося вільною від криги, а у розподілі додатніх температур зберігається “омароподібний” візерунок. Якщо порівняти цей результат із варіантом “Термо”, то можна зробити висновок, що для того, аби планета була придатною до життя, рух гідросфери є значно важливішим за максимальну температуру, до якої можна нагріти планету.

Дуже цікаві результати виявилися і в чотирьох “архейських” моделей. Через більший вміст парникових газів від них можна було очікувати значно вищих температур, однак цього не сталося. В усіх симуляціях і максимальні, і мінімальні температури виявилися усього на кілька градусів вищими, ніж у “Контролі”.

Дивні речі в результатах моделювання

Наприклад “Архей Середній” при тому, що він демонструє трохи вищі мінімальні та максимальні температури, ніж “Контроль”, відзначається трохи нижчою температурою води на тіньовому боці екваторіальної зони і трохи нижчим відсотком поверхні, вільної від криги. При цьому «Архей Низький», який менше відрізняється від умов сучасної Землі, виявився теплішим, і тут вже половина поверхні планети виявилася вільною від криги.

Така контрінтуїтивна ситуація має своє пояснення. Річ у тім, що при підвищенні концентрації метану в атмосфері зростає рівень поглинання випромінювання. Через це поверхні планети досягає менша кількість енергії, і приповерхневі шари виявляються слабо розігрітими. У свою чергу це призводить до меншої інтенсивності течій в океані і, в першу чергу, хвиль Кельвіна. На доказ цього в моделі “Архей Середній без метану” спостерігаються приблизно такі самі цифри температур та площі зледеніння, що й у “Контролі”.

У симуляції “Архей Високий” парниковий ефект таки починає відігравати значну роль і відсоток вільної від криги поверхні знову стає вищим, ніж у контрольному моделюванні. При цьому показники “Архею Високого” лишаються дуже відмінними від моделювання атмосфери з чистого СО2, у якому взагалі від’ємні температури не зустрічаються, і вся поверхня планети залишається вільною від криги.

Моделі “Контроль Тонкий” та “Контроль Товстий” також заслуговують на увагу. Перша з них демонструє холодний світ із високим альбедо. Невеличкий асиметричний океан відкритої води на його денній стороні мало нагадує “омара” з контрольної симуляції, але він також формується завдяки хвильовому механізму Росбі-Кельвіна.

Художнє зображення екзопланети TRAPPIST-1f
Художнє зображення екзопланети TRAPPIST-1f. Джерело: NASA/JPL-Caltech

На противагу йому “Контроль Товстий” – планета з максимальною кількістю водяної пари в повітрі та найменшою серед усіх симуляцій (за виключенням “атмосфери чистого вуглекислого газу”) площею зледеніння. Висока щільність атмосфери дозволяє підтримувати високий тиск водяної пари, а він знижує температуру замерзання води. Внаслідок цього, хвильовий механізм Росбі-Кельвіна майже не впливає на формування криги, і нічна та денна сторони планети-океана виявляються майже ідентичними.

Визначення впливу глибини океану у симуляціях “Контроль Мілкий” та “Контроль Глибокий” показало, що на максимальні та мінімальні температури цей параметр впливає досить слабо. А ось характер течій у глобальному океані дуже сильно залежить від того, являє він собою мілину, чи багатокілометрову безодню.
У випадку, коли океан мілкий, провідну роль починають відігравати хвилі Росбі при майже повній відсутності хвиль Кельвіна. Це призводить до того, що тепла маса води з підсонячної точки на екваторі відноситься до полюсів і трохи на захід. Внаслідок цього формується “денний” океан, що простягається від одного полюса до іншого у той час, як на “нічному” боці планети панує суцільна крига.

При великій глибині океану механізм Росбі-Кельвіна працює більш традиційно, формуючи щось схоже на “архейську” модель, але витягнуту вздовж усієї планети. Одночасно виникає досить цікава ситуація, за якої повністю вкритою кригою опиняється не “денна” і не “нічна” точки, а область західного термінатора.

Модель Проксими b із нульовою солоністю цікава тим, що у ній, у порівнянні з контрольною симуляцією, одночасно збільшується максимальна температура на поверхні та знижується мінімальна. Внаслідок цього, середня температура на планеті виявляється нижчою, ніж у “Контролі”. Відкриті ділянки океану формують вже знайомого “омара”, але без довгого “хвоста”, що тягнеться вздовж усього екватора. При цьому вільною від криги лишається усього третина поверхні планети. Точка замерзання води у цьому випадку становить 0 за Цельсієм, а не -1,9, як у контрольній симуляції.

Насичений розсіл у симуляції “Висока Солоність” замерзає вже за -19 за Цельсієм. І з ним усе рівно навпаки. Максимальна температура тут ледве сягає 0 за Цельсієм, але й мінімальна значно вища, ніж у контрольному експерименті. Через це 82% поверхні планети являють собою відкритий океан, у якому не спостерігається жодних характерних малюнків.

Модель планети, що обертається у резонансі 3:2 із нульовим ексцентриситетом малоцікава. У природі такі світи не зустрічаються, оскільки такий резонанс потребує високого ексцентриситету. Однак для порівняння з розробленими раніше моделями такий варіант дослідники все ж використали. І він продемонстрував картину розподілу освітлення по поверхні планети дуже схожу на земну. При цьому планета виявилася надзвичайно холодною. Її максимальна температура сягала лише -3 за Цельсієм і вона майже нагадувала “Землю-сніжок” із реконструкцій протерозойської ери Землі. Проте невеличка смуга вздовж екватора все ж лишалася вільною від криги.

Моделювання "землі-сніжка" у кріогеновому періоді
Моделювання “землі-сніжка” в кріогеновому періоді (~715 млн років тому). Джерело: NASA/GISS

На відміну від нереалістичного варіанту, варіант з резонансом 3:2 та ексцентриситетом 0,3 продемонстрував цікавішу та більш сприятливу для життя картину. Через те, що орбіта ексцентрична, певні ділянки поверхні регулярно отримують більше світла, ніж інші. В результаті цього утворюються два максимуми опромінення на протилежних сторонах планети. Максимальна та мінімальна температура при цьому такі ж, як і в “Контролі”, а відсоток вільної від криги поверхні не сильно відрізняється. Різниця полягає у тому, що ніякого “омароподібного” малюнку при цьому не спостерігається, рівно як і двох маленьких відкритих океанів. Існує одна єдина, достатньо широка смуга води вздовж усього екватора планети.

Нарешті, дві моделі у яких були земні маси теж показали досить цікаві результати. “Денний океан”, у якому “полуденна” півкуля планети була аналогічна Тихому океану на Землі, була певним різновидом “очного яблука”. Максимальні температури тут виявилися на одному рівні з атмосферою з чистого вуглекислого газу. Мінімальні ж – значно перевищували аналогічні у вуглекислій.

Майже вся поверхня замкненого простору виявилася рівномірно розігрітою до високих, але не захмарних температур. Лише полюси виявилися тут вкритими кригою, однак і на них температура не була найнижчою.

В окремих місцях океану вдалося прогріти суходіл на достатньо велику глибину, але загалом усе, що опинилося за межами “басейну”, відрізнялося вкрай низькими температурами. Над “тихим океаном” спостерігалася одна велика комірка кругообігу повітряних мас, а над рештою планети панував цілковитий штиль.

Інша картина спостерігалася у “Денному Суходолі”. Ця модель продемонструвала найбільшу серед усіх максимальну температуру і, одночасно, найменшу температуру мінімальну. Ці відхилення від контролю виявилися навіть вищими, ніж у варіанті “Термо”, в океані якого взагалі не виникали течії. Середня температура на планеті виявилася нижчою, а площа вільної від криги поверхні меншою, ніж у контрольному експерименті.

Цей експеримент виявився єдиним, який продемонстрував на загалом холодній Проксимі b яскраво виражений градієнт додатніх температур. Тобто “підсонячна” точка суходолу виявилася не просто теплою, а розжареною до 31 градусу за Цельсієм. Однак на певній відстані від цієї точки температура поверхні суходолу досить швидко знижувалася, і прогріти усю “полуденну афроєвразію” до додатніх температур не вдалося.

А ось ті частини океану, які до полуденної точки підходили найбільш близько, прогрілися рівномірно, і течії, які виникли у них, змогли перенести тепло у дуже віддалені регіони, зокрема й полярні. Так моделювання впливу суходолу показало, що в умовах Проксими b він може виступати у якості ефективного бар’єра-поглинача потоків тепла. З іншого боку, наявність такого бар’єра активізує течії в океані та призводить до більш інтенсивного та рівномірного його прогрівання.

Найважливішим висновком, який можна зробити з дослідження Дель Дженіо та його колег є те, що модель Проксими Центавра b з динамічним океаном показала можливість існування умов, придатних для життя та відкритого океану, що сягає нічного боку планети. Це було продемонстровано як для планети, що обертається синхронно, так і для планети, що обертається у резонансі 3:2.

Отримані моделі світу відрізняються одна від одної настільки сильно, що їх не лише важко порівнювати між собою, а ще й просто складно знайти мінімальний спільний набір критеріїв, за яким можна судити про можливість життя на тій чи іншій планеті.

Особливо цікаві в усіх планах результати отримані для моделей, у яких змінювалася солоність. З моделлю “Висока солоність” традиційний “грубий” спосіб життєпридатності планети за її альбедо взагалі не працює. У Проксими b у цій моделі дійсно низьке альбедо, що свідчить про наявність величезного відкритого океану, однак в такому океані більшість земних організмів просто не вижила б.

Ще одним цікавим результатом, отриманим під час цього дослідження стало моделювання хмарного покриву для тих чи інших моделей Проксими b. Виявилося, що у Контрольному експерименті майже уся планета буде вкрита хмарами. При цьому, нічна півкуля виявляється вкритою товстим шаром низьких хмар, у той час як хмари, що заходяться на великій та середній висоті над цією півкулею, залишаються достатньо тонкими. Денна ж півкуля практично усюди вкрита товстими різновисотними хмарами на 90%, тобто просвіти, через які можна побачити океан трапляються достатньо рідко.

Збільшення опромінення планети в експерименті “Контроль Високий” призводить до локальних збільшень та зменшень рівня хмароутворення, але різниця кількості хмар над нічною та денною півкулями при цьому не зростає. Якщо така симуляція є вірною для усіх припливно запертих планет, то виявлення на них життя чи, хоча б, води у рідкому стані може виявитися непростим завданням.

Підбиваємо підсумки. Чи можливе життя на Проксимі b?

З моделювання, здійсненого групою Дель Дженіо, можна зробити безліч цікавих висновків. Головний з них полягає у тому, що стара модель “очного яблука”, яку неодмінно малювали, коли говорили про планети у системах червоних карликів, скоріш за все в реальності існує тільки на планетах, що внаслідок спалахів на зорі повністю втратили свою воду. На планетах, на яких океан зберігся, ніякої різкої межі у кліматі “нічної” та “денної” півкуль немає, крім тих випадків, коли планета має тонку атмосферу.

Виявилося також, що інтенсивність опромінення та вміст парникових газів у повітрі – достатньо слабкі чинники, що впливають на клімат планети. А головним чином протидіють “заморожуванню” планети океанські течії та солоність води. Також досить слабо на прогрівання планети-океану впливає глибина океанів на ній. Однак, коли океан являє собою мілину, то течії у ньому слабнуть і планета прогрівається значно слабше.

Найцікавішим же є результат моделювання для планети, у якій присутні океан так суходіл. Цей напрямок ще потребує додаткових досліджень, але схоже на те, що суходіл виконує роль концентратора температур. Тепло тут зосереджується у певних точках, інші ж лишаються холодними. Одночасно суходіл відіграє роль стінки, відбиваючись від якої, океанські течії здатні розповсюджуватися на значно більші відстані, ніж у глобальному океані. Цілком можливо, що у ситуації, коли на “полуденному” боці планети знаходиться кілька континентів, які не перекривають повністю воді шлях на нічний бік, планета може виявитися теплішою, ніж у тих моделях, що вже розглянуті.

Ще один цікавий момент стосується минулого вже нашої планети. Моделі, отримані для атмосфер, аналогічних припущенням про архейську еру Землі не демонструють значного підвищення температури у порівнянні з атмосферою, аналогічною сучасній земній. Різке підвищення спостерігається лише в атмосфері чистого СО2. Тож, можливо, що по-справжньому парниковим цей газ стає при концентрації у десятки відсотків.

Традиційно, зміни у кліматі, зафіксовані в далеких геологічних епохах, пояснюються саме концентрацією вуглекислого газу. Особливо це стосується виникнення “землі-сніжка” у кріогеновому періоді. Раніше здавалося логічним, що саме падіння концентрації СО2 внаслідок старту на Землі фотосинтезу призвело до таких катастрофічних наслідків. Результати ж моделювання для Проксими b змушують засумніватися у цьому та пошукати інших пояснень.

Зокрема, показовим є результат, отриманий для моделі “Архей Низький”. Збільшення вмісту метану при не дуже високому вмісті вуглекислого газу викликає не потепління, а похолодання. Крім того, нещодавно дослідники екзопланет вже висловлювали думку, що стабільна кругова орбіта, така як у нашої Землі, може бути лише короткочасною стадією у життєвому циклі планети. А серія зледенінь може бути викликана змінами в орбіті планети.

Ще один параметр, на який тепер не можна не звертати уваги – це хмарність. Ми звикли до того, що наша Земля – планета, яку майже ніколи повністю не вкривають хмари. За таких умов на планеті ми можемо встановити склад її атмосфери та навіть поверхні, використовуючи астрономічний спектрограф.

Раніше вважалося, що якщо планета повністю вкрита хмарами – то це щось на зразок Венери, планети геть не придатної до життя. Тепер же може виявитися, що у системах червоних карликів існує чимало планет, повністю вкритих водою та розвиненою біосферою, але про наявність цієї біосфери ми зможемо дізнатися тільки тоді, як вийдемо на орбіту цієї планети, або коли спустимося під нижній шар хмар. На щастя, саме щодо Проксими Центавра b такий сценарій видається доволі реалістичним.

TRAPPIST-1 ЗОРЯНА СИСТЕМА
Художнє зображення зоряної системи TRAPPIST-1 з сімома планетами. Джерело: NASA

Нарешті, саме наше уявлення про те, що ми можемо сказати, що являє собою планета, просто оцінивши її масу, відстань до зорі та тип її тип, лишилося у минулому. Проксима b та інші планети у системах червоних карликів здаються нам все більш придатними до життя. Спалахи досі залишаються невирішеною проблемою, однак ми принаймні знаємо, що хоча б частина планет здатна утримати в таких умовах свою атмосферу та гідросферу. Клімат Проксими b скоріш за все холодний, однак існує суттєва імовірність, що значна частина планети лишається вільною від криги.

Найголовніше ж це те, що “одномірні” моделі планет, схоже, остаточно лишилися у минулому. Стає зрозумілим, що на одній планеті можуть формуватися різні природні умови і характер розподілу цих ділянок залежить від купи факторів. Деякі з них вже враховані в роботі Дель Дженіо. Побудова моделей, які враховують інші – ще попереду. Вчені вже придивляються до системи TRAPPIST-1, яка є ще холоднішим червоним карликом і містить одразу кілька планет з земними масами. Цілком можливо, що головний набір моделей клімату екзопланет ще попереду.

Сподобалась стаття? Придбайте нам , а ми напишемо ще.
Повідомити про помилку: підкресліть текст та натисніть CTRL+Enter або
Олександр Бурлака
  • 59 записів
  • 0 дописів
Олександр займається популяризацією науки, веде блоги та працює викладачем у Харківському національному технічному університеті сільського господарства ім. Петра Василенка. Має ступінь кандидата технічних наук.