TL;DR

Как говорится в большинстве других ответов, растения в этом мире, вероятно, будут фиолетовыми, используя фотосинтетические пигменты, которые работают на тех же длинах волн, что и бактериохлорофиллы. Хлорофилл а и хлорофилл b не получат столько света в видимой части спектра, сколько от Солнца, а это означает, что зеленые растения будут неэффективными и, следовательно, сравнительно редкими. Скорее всего, мы даже увидим пигменты, работающие в основном в инфракрасной части электромагнитного спектра.

Как выглядит спектр звезды?

Общий спектр звезды — без учета линий излучения и поглощения — может быть аппроксимирован функцией Планка , которая описывает спектр совершенно черного тела и зависит только от температуры этого тела. С помощью функции Планка мы можем определить такие вещи, как длина волны пикового излучения или то, какая часть света звезды видна людям.

Температура поверхности Солнца составляет примерно 5800 Кельвинов; красный карлик может быть ближе к 3000 Кельвинам. Таким образом, его спектр выглядит немного иначе — слабее и смещен в сторону более длинных волн. Это благоприятствует пигментам с пиковым поглощением на более длинных волнах. Вот график двух спектров черного тела (представляющих Солнце и красный карлик), нормализованных для получения одинаковой максимальной спектральной яркости:

Краткий экскурс: спектральные линии

Не стесняйтесь пропустить этот раздел, если хотите; это не имеет прямого отношения к вашему вопросу, но уточняет, как может выглядеть спектр звезды.

Звезды не являются идеально черными телами, но оказывается, что основные отклонения от спектра чистого черного тела связаны с составом атмосферы звезды, которая не является однородной. Да, есть водород, и его много, но есть и более тяжелые элементы, такие как гелий, кремний, железо и магний. Элементы приводят к образованию спектральных линий, которые выглядят как резкие провалы и всплески в гладком спектре черного тела. Они не оказывают большого влияния на светимость звезды, но формируют основу для различения разных типов звезд друг от друга.

Спектральные линии различаются по силе и форме из-за ряда факторов:

• Температура звезды, влияющая на степень ионизации каждого элемента.
• Состав звездной атмосферы, который определяет, должны ли появляться определенные линии.
• Поверхностная гравитация звезды, которая (наряду с другими факторами) может сделать спектральные линии шире.

У звезд М-типа, таких как красные карлики, полосы оксида титана сильны; поскольку оксид титана разрушается при более высоких температурах, его редко можно увидеть так отчетливо в более горячих звездах, таких как Солнце.

Как насчет облаков?

Вы говорите, что ваша планета в значительной степени покрыта облаками, что может повлиять на то, через что проходит свет. Дело в том, что это сильно зависит от состава облаков. Облака воды пропускают свет иначе, чем, скажем, облака углекислого газа. Похоже, что это пропускание/рассеяние (по крайней мере, слабо) зависит от длины волны и может влиять на концентрацию пигмента . Это следует иметь в виду, если вы в конечном итоге будете разрабатывать этот мир более подробно.

Какие фотосинтетические пигменты будут полезны?

Вот мы и подошли к сути вашего вопроса. Когда у нас есть спектр звезды, мы можем выяснить, какие фотосинтетические пигменты будут процветать на планете, вращающейся вокруг нее. На Земле наиболее успешными из этих пигментов являются хлорофилл а и хлорофилл b, которые имеют пики поглощения около 400 и 600 нанометров, сосредоточенные вокруг пика солнечного спектра.

Теперь давайте посмотрим, как звездные спектры соотносятся со спектрами поглощения различных фотосинтетических пигментов. Я получил данные от omlc.org для хлорофилла A , хлорофилла B и бактериохлорофилла a и построил их спектры поглощения, наложенные на спектры двух звезд:

Обратите внимание на пики поглощения хлорофиллов вблизи пика солнечного спектра. На этих длинах волн красный карлик излучает мало, а это означает, что хлорофиллы не будут процветать вокруг такой холодной звезды. Бактериохлорофилл а, с другой стороны, имеет пики около 800 нм, что ближе к длине волны пикового излучения красного карлика. Бактериохлорофиллы, а также родственные им пигменты, которые процветают в пурпурной части видимого спектра и на длинах волн, близких к ультрафиолетовым, вероятно, будут доминирующими фотосинтетическими пигментами в вашем мире, что сделает флору гораздо менее зеленой и гораздо более фиолетовой.

Говоря о гипотетической землеподобной планете (плюс заблокированной приливом), она будет выглядеть примерно так :

Сама планета будет разделена на 4 зоны, 3 из которых технически необитаемы: вечный ураган на стороне, обращенной к прямому солнечному свету, сумеречная зона (истерзанная бесконечными ветрами) и ледяной биом, покрывающий практически другую половину планеты. планета. Единственной пригодной для жизни зоной была бы зона непрямого солнечного излучения, где жизнь могла бы процветать и развиваться в диапазоне температур от более 104°F в западных регионах до даже ниже 0°F в восточной части.

Теперь озон является основным поглотителем ультрафиолетовых лучей. Если бы слой был толще, чем на Земле, то потенциально он мог бы поглощать все ультрафиолетовые лучи. Меньшее количество УФ-лучей означает меньший риск рака кожи или инсоляции для нас, людей, но это может постепенно привести наш организм к дефициту витамина D (с последующим низким уровнем кальция). Повышение уровня влажности может привести к тому, что ураган, находящийся в точке максимальной инсоляции, станет больше, а значит, и более экстремальными температурами в переходной «обитаемой» зоне (при этом тропическая станет еще более влажной, а восточная — холоднее).

Наконец, что касается растительности , мы знаем, что хлорофилл в большинстве растений здесь, на Земле, поглощает синий и красный свет, но (на удивление!) меньше зеленого света. Поэтому хлорофилл кажется нам зеленым. Зеленый все еще поглощается, но меньше, чем все остальные цвета. На мире красных карликов, поскольку пик света находится в большей части инфракрасного диапазона, листья будут пытаться поймать каждый фотон, какой только смогут, поскольку для завершения фотосинтеза потребуется большее их количество. Я предполагаю, что листья будут казаться более темными (даже черными), чем здесь, на Земле, но я не слишком в этом уверен. Я даже не думаю, что в океанах была бы жизнь, так как свет был бы слишком слаб, чтобы проникнуть в воду ниже 10-20 метров.

Планета должна быть ближе к красной карликовой звезде.

https://www.spaceanswers.com/solar-system/what-if-we-replaced-our-sun-with-a-red-dwarf/

Кроме того, на флоре растения будут окрашены по-разному.

«В результате астробиологи предположили, что фотосинтезирующие растения на мирах, вращающихся вокруг одиноких красных карликов, могут приобретать оттенки красного, синего, желтого, пурпурного или даже серовато-черного, чтобы лучше всего поглощать звездный свет» (из ссылки ниже).

Красные карлики излучают меньше света и потому, что планета должна быть ближе (чем, например, расстояние Земли от Солнца) к красному карлику.

https://news.nationalgeographic.com/news/2011/04/110419-alien-trees-black-plants-planets-ras-space-science/

Однако существует также проблема солнечных вспышек. Красные карлики испускают солнечные вспышки, более мощные, чем Солнце. Поскольку планета находится ближе, эти вспышки могут легко убить всю растительную жизнь, если только она не сможет каким-то образом сжаться и спрятаться во время этих вспышек.

https://www.universetoday.com/140302/a-red-dwarf-blasts-off-a-superflare-any-life-on-its-planets-would-have-a-very-bad-day/

Спектральные вещи

Для спектра излучения звезды вам понадобятся две формулы. Закон смещения Вина [1] и закон доски [2].

Закон смещения Вина

$λmax = (2.898 * 10^{-3}/T)*10^9$

$T$= звездная температура в Кельвинах

Получите температуру по этой формуле.

$T = M^{0.505}$

$T$= температура звезды относительно Солнца (умножить на 5778 К)

$M$= звездная масса относительно Солнца

Закон досок

$Bλ(λ, T) = ((2*π*h*c^2)/λ^5)*(1/(e^{h*c/λ*kB*T}-1)$

Получайте удовольствие, выясняя это. ;) Или воспользуйтесь этим калькулятором [3]

Атмосфера

Вы упомянули водяной пар, озон и CO2 в качестве парниковых газов. Если вы стремитесь создать атмосферу, пригодную для дыхания человека, учитывайте эти ограничения.

O2 = 0,16 - 0,5 атм, но только до 35 % атмосферы (неконтролируемые лесные пожары будут поддерживать этот низкий уровень)

О3 = 0,0000001 атм.

Co2 = 0,02 атм (становится неудобным при 0,005 атм)

Имейте в виду, что атмосфера теплицы или оранжереи используется для описания условий, подобных Венере. Кажется, ты не стремишься к этому. Если вы хотите рассчитать парниковый эффект в этом мире, я должен вас тут же остановить. Ничто, кроме физического моделирования уровня PHD, не даст вам точных значений. Но у меня есть список линейных приближений, полученных в результате обратного вычисления. Они ни в коем случае не точны с научной точки зрения, но они подойдут для построения мира.

$H2O = 677 K/atm$

$O3 = 19600000 K/atm$

$CO2 = 13784 K/atm$

Не позволяйте температуре планет подняться выше средней температуры 47 по Цельсию, так как это знаменует собой начало безудержного парникового эффекта [4], приводящего к условиям, подобным Венере. Это снова всего лишь приблизительная цифра. Вы не должны опускаться ниже средней температуры - 56,6 C, так как CO2 к этому моменту уже вымерзнет. Это пределы обитаемости. Использовать их гораздо элегантнее, чем вычислять обитаемые зоны и сбрасывать туда планету.

Вы получите температуру планет без парникового эффекта [5] с помощью следующего уравнения.

$T = (\frac{ L_{\odot}(1 - a)}{16 \pi d ^ 2 ơ}\;.)^{1/4}$

$L$= Светимость в ваттах

Получено через

$L = M^3$($M$относительно Солнца, Sol L составляет 3,828 × 10$^{26} W$)

$a$это альбедо планет, [6] и [7] должны помочь вам в этом.

$σ = 5.670373 × 10^{−8} \;\mathrm{W}\; \mathrm{m}^{−2}\; \mathrm{K}^{−4}.$это постоянная Стефана-Больцмана.

Все, что сказано в этих формулах, настроено на землю, подобную солнцу, и многие вещи, такие как альбедо и парниковые эффекты газов, будут изменены новым спектральным классом. Но стремление к чему-то более точному является материалом для нескольких научных статей, а не для ответа SE.

Приливный замок

Разумно предположить, что планета заблокирована приливом, но приливная блокировка не всегда означает, что одна и та же сторона указывает на Солнце. Меркурий является примером приливно-запертого мира в спин-орбитальном резонансе выше 1:1 [8]. По мере увеличения эксцентриситета орбиты заблокированных приливом планет наиболее вероятные спин-орбитальные резонансы увеличиваются с 1: 1 до 3: 2, до 1: 2 и до 5: 2. Просто имейте в виду, что вы получите сильные «сезоны», основанные на расстоянии, по мере увеличения эксцентриситета. Просто запустите температурную формулу для перицентра, апоцентра и апоцентра. Поскольку средний эксцентриситет обнаруженных экзопланет составляет 0,3, резонансы выше 1:1 кажутся очень реалистичными и увеличивают обитаемость.

Дополнительное рассмотрение

Весьма вероятно, что вы столкнулись с концепцией планеты-глазного яблока [9] во время своего исследования. Источники и люди, которые дают вам эту информацию, не в курсе. Планеты-эйболы — артефакт ранних симуляций без океанического и атмосферного теплообмена. Будут сильные, постоянные ветры, переносящие теплый воздух из ближней точки в дальнюю. Температура на ночной и дневной сторонах будет примерно одинаковой. А если есть замерзший океан, свободная ото льда дыра будет не круглой, а в форме омара. (Если хотите, я пойду искать источник, сообщите мне в комментариях.)

Маленькие звезды, такие как красные карлики, как правило, переменные, вспыхивающие или звезды УФ-Кита [10]. Они могут увеличить свою светимость внезапно на порядки. Представьте, что солнце на несколько часов вдруг становится все горячее и ярче, и вы видите проблему. Неясно, все ли маленькие звезды переменные, поскольку с возрастом они становятся более спокойными. Тем не менее, даже древняя звезда Барнарда вспыхивала. Это необходимо учитывать при проектировании биосферы.

Растения

Цвет

Здесь нет окончательного ответа, просто джунгли возможностей, которые все могут быть правдой. Ютубер Artifexion снял на эту тему видео, в котором предположил, что растения либо используют пиковое излучение своей звезды для фотосинтеза, либо отражают его, чтобы использовать другой, менее интенсивный свет [11]. На земле используется второй подход, в результате чего появляются зеленые растения. На красных карликах это привело бы к появлению черных растений, поскольку они хотели бы использовать весь свет. Если звезда будет переменной, какая-то биологическая система предупреждения о вспышках, возможно, УФ-детектор, и способность защититься от вспышки или пережить ее будет иметь решающее значение. Наземные растения пострадают сильнее, чем морские. Так скатываясь, как Shameplants, зарываясь,

Первый подход великолепен, но есть одно огромное предостережение. Биохимия — это не коробка чудес. Ксенобиология может таить в себе много чудес, но хлорофилловый эквивалент для каждого набора длин волн кажется маловероятным. Зеленые растения Земли на самом деле не используют весь синий и красный свет, хлорофилл a и b просто имеют спектры поглощения, охватывающие часть обеих длин волн. Различные хлорофиллы с и хлорофилл d имеют другие функциональные длины волн, и существуют различные бактериохлорофиллы. Интересным для наших целей является недавно открытый хлорофилл f, способный использовать инфракрасный свет с длинами волн от 707 до 800 нм [12]. Это привело бы к тому, что растения игнорируют весь видимый спектр или используют только немного красного света через хлорофилл в дополнение к инфракрасному свету. Такая растительность может быть белой или ярко-сине-зелено-металлической соответственно.

[1 ] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Wien's_displacement_law

[2 ] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Planck's_law

[3] http://www.spectralcalc.com/blackbody_calculator/blackbody.php

[4] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Runaway_greenhouse_effect

[5] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Планетарная_равновесная_температура

[6] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Альбедо

[7] https://youtu.be/y3Kb_ik5f-I

[8] http://www.skymarvels.com/infopages/vids/Mercury%20Spin-Orbit%20Resonance.htm

[9] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Eyeball_planet

[10] https://www.aavso.org/vsots_uvcet

[11] https://youtu.be/L9MNC45Jr6Q

[12] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Chlorophyll_f

В эпизоде ​​«Вселенной Звездных врат» предполагается, что красный карлик приведет к появлению пурпурных растений .

Если планета приливно привязана к своей звезде, то одна сторона всегда будет обращена к звезде, а другая не получит света. Это создало бы огромную разницу температур между стороной, обращенной к звезде, и стороной, не обращенной к Солнцу. Поскольку горячий воздух менее плотный, это также может создать огромные перепады давления. Ветры, возникающие в результате этих перепадов давления, будут огромными, а также постоянный ураган в середине стороны, обращенной к звезде, созданный вечной депрессией. Почва была бы настолько размыта этими ветрами, что я сомневаюсь, что какая-либо почва, пригодная для жизни растений, осталась бы в температурном диапазоне Златовласки. Кроме того, любые растения, которые растут, должны иметь толстые, сильные ветви и стволы, чтобы противостоять ветрам. Это может быть трудно развиваться,