Насколько критично для жизни, чтобы планета все время оставалась в обитаемой зоне?

Этот вопрос был рассмотрен в нескольких исследованиях, проведенных в последнее десятилетие. В этих исследованиях использовались климатические модели для планет с эксцентричными орбитами. Мне известно о трех научных работах по теме (я соавтор одной): здесь , здесь и здесь .

Ответ прост: в первую очередь важен средний поток, получаемый планетой на протяжении ее орбиты. Осредненный по орбите поток$F$весы с эксцентриситетом орбиты$e$и большая полуось a как$F\sim a^{-2} (1-e^2)^{-1/2}$. Вам нужен большой эксцентриситет, чтобы иметь большое значение для климата (например, для эксцентриситета 0,5 увеличение усредненного по орбите потока составляет всего 15%, что легко компенсируется увеличением большой полуоси планеты на чуть-чуть):

Для планеты на эксцентрической орбите бывает короткое жаркое лето и долгая холодная зима. Но большинство соответствующих климатических временных масштабов намного длиннее орбитального времени, поэтому имеет значение только усредненный по орбите поток. На этом графике показан усредненный по орбите поток (синяя кривая), отношение афелий/перигион dmax/dmin (зеленая кривая) и отношение потока, полученного в пери- и апо (красная кривая).

К вашему сведению, однажды я написал сообщение в блоге именно на эту тему: https://planetplanet.net/2014/10/06/real-life-sci-fi-worlds-1-the-eccentric-earth/ и есть много интересные детали. Мне больше всего понравилось то, что мы представили (и выполнили климатическое моделирование) планету на очень вытянутой орбите, которая также наклонена по оси вращения. Планета превратилась в глобальный ледяной шар, за исключением точки, которая получала самый сильный тепловой импульс от Солнца — в данном случае на Южном полюсе, который оттаивал примерно месяц в году. Вот иллюстрация (белый = замерзший, синий = почти замерзший).

К вашему сведению, существует еще одна интересная ситуация, когда эксцентриситет орбиты планеты изменяется во времени из-за гравитационного взаимодействия с другими планетами в системе. Если вам интересно, смотрите здесь: https://planetplanet.net/2014/10/08/real-life-sci-fi-worlds-3-the-oscillating-earth/

Кстати говоря, при моделировании формирования каменистых планет я однажды создал пару планет, которые располагались между обитаемой зоной, но обменивались эксцентриситетами так, что они по очереди совершали экскурсию за пределы обитаемой зоны. К вашему сведению, на этом изображении время 2 примерно через 20 000 лет после времени 1 (подробности об этой симуляции здесь или здесь ).

Я (по крайней мере, пока) не даю полный ответ, но вы должны принять во внимание следующее:

1. Атмосфера

Роль атмосферы очень важна. Плотная атмосфера вызывает более медленное нагревание и охлаждение, поэтому зона комфорта для планеты, подобной Венере, отличается от зоны комфорта для планеты, подобной Марсу. Даже больше, если у вас есть парниковый эффект или очень высокое альбедо (или и то, и другое).

2. океаны

Океаны также являются важными «бассейнами тепла», благодаря которым на планете становится немного прохладнее или немного жарче.

3. Внутренние источники тепла

Наличие вулканов, безусловно, помогает в холодное время.

4. Орбитальная скорость

Орбитальное движение намного быстрее, если тело находится рядом со звездой. Если планета должна пройти то же самое расстояние внутри более горячей границы комфортной зоны, что и за пределами более прохладной границы, переход на раскаленном конце будет очень, очень быстрым, а переход через зону замерзания будет очень медленным. Таким образом, вы можете приблизиться к звезде больше, чем вы думали изначально, так как вы будете там очень короткое время.

Все дело в тепловой массе.

В конечном счете, этот вопрос говорит о том, сколько времени потребуется жизни, чтобы умереть вне «идеальных» условий, в которых она процветает. Как было описано в других ответах, существует широкий спектр условий, влияющих на это. В конечном счете, все дело в тепловой массе.

Так что же такое тепловая масса?

Для целей этого ответа мы можем описать его как любую массу, которая обладает способностью поглощать и удерживать тепло, когда она холоднее, чем окружающая среда, и выделять его в течение длительного периода времени, когда масса теплее, чем ее окружение.

На Земле у нас есть океаны и наша атмосфера. Атмосфера сохраняет много тепла (благодаря парниковым газам) и удерживает его близко к поверхности. Дело в том, что атмосфера не является особенно хорошей термальной массой. Вот почему существует разница температур между ночью и днем.

Тем не менее, вода делает гораздо лучше. Если вы живете на побережье, вы знаете, что разница между ночными и дневными температурами не так велика, как разница между ночными и дневными температурами в глубине суши, особенно в пустынях. Почему? Что ж, вода на побережье сохраняет много тепла в течение дня, и атмосфера получает от этого преимущество в форме замедленного выброса.

Дайверы с аквалангом скажут вам, что температура в мае (южное полушарие) все еще довольно теплая, потому что летняя жара еще не полностью покинула воду.

Так; если на вашей планете есть большое количество воды, вы будете жить лучше, чем если бы у вас ее не было. Некоторая мера парниковых газов необходима, но вызовет проблемы, если вы находитесь слишком близко к солнцу. Как было сказано в других ответах, это слишком близкая часть, с которой у вас будут самые большие проблемы, особенно если у вас есть парниковые газы в атмосфере для сохранения тепла. Океан поможет поглотить часть этого тепла, но вам все равно понадобится укрытие от него на этой части орбиты.

Вы также хотели бы создать атмосферу с высоким содержанием O2, если это возможно. Почему? Потому что вы хотите, чтобы экстремальное солнце производило большое количество озона (O3) в жаркие периоды, чтобы блокировать космическое излучение. Озон особенно полезен здесь в качестве поддержки магнитного поля планеты, поскольку он зависит от температуры и вырабатывается естественным путем, когда он больше всего нужен; в жаркие дни (в данном случае ближе к солнцу)

Однако это не все хорошие новости. Термическая масса может сгладить крайности, но вам все равно нужна достаточно разнообразная жизнь, способная к очень широкому перепаду температур.

Шерстистые мамонты (например) перегревались бы в нашем нынешнем климате. Многие животные на Земле приспособлены либо к теплому, либо к холодному климату. Вариации (лунные циклы, день/ночь, времена года и т. д.) управляют многими процессами, которые позволяют жизни расти и процветать, но вариации не могут быть слишком большими, иначе животному или растению для выживания потребуются одновременные, но противоречивые адаптации. . Например, кактусы плохо себя чувствуют в тропическом климате. Они ДЕЙСТВИТЕЛЬНО не преуспевают в Арктике. Белые медведи будут бороться в Мексике; вы получите общее представление.

Вполне возможно, что ваша жизнь найдет способы обойти это, и, конечно, водная жизнь в этом сценарии гораздо более возможна, но это приводит к другому соображению; Океанские течения.

Большая часть жизни в океане на Земле существует из-за стабилизировавшихся в течение некоторого времени подводных течений. Они переносят планктон и других существ через заданные зоны, где ими питаются более крупные животные, где ими питаются еще более крупные животные и т . д. Это создает надежные схемы питания по всему мировому океану, а это означает, что жизнь специализируется на использовании этой модели, и разнообразие гарантировано. С огромными колебаниями температуры, которые вы описываете, вполне возможно, что эти режимы кормления не возникнут, и погода будет более хаотичной.

Одна из причин того, что на Нептуне (например) кажется, что ветры проносятся над его поверхностью с невероятной скоростью и без видимых эффектов Кориолиса, заключается в том, что он находится так далеко от Солнца. В планетарную систему поступает очень мало энергии, поэтому, когда начинается ветер, очень мало что может его остановить.

С другой стороны, ваша планета постоянно получает (периодически) сброс большого количества энергии в свои атмосферные и водные запасы. Это, вероятно, создаст всевозможный хаос в погоде, течениях и т. д.

Это не делает жизнь невозможной, но усложняет ее. Еда становится менее предсказуемой. В результате рождаемость становится ниже.

Возможна ли жизнь на такой планете? Конечно, с учетом правильных соображений тепловой массы. Так ли возможна жизнь, что вполне вероятно, что разумная жизнь могла бы развиваться? Боюсь, что нет.

Мы действительно не тратим много времени на размышления об этом, но нам невероятно повезло, что у нас есть эта планета. Это как выиграть в лотерею сотни тысяч раз подряд. Даже в этом случае условия не всегда (и, конечно, не всегда были) идеальными. В этом мире, который вы описываете, шансы на развитие разумной жизни уменьшаются в силу того факта, что жизнь не будет процветать так, как на Земле. Это может быть подходящее место для колонизации, но я подозреваю, что мы не собираемся встречать там себе равных.

Я подозреваю, что проблема вашей гипотетической планеты будет меньше из-за времени вне обитаемой зоны и больше из-за времени, которое планета проводит вблизи своего перигея (ближайшей точки). Жизнь чрезвычайно устойчива и способна адаптироваться к некоторым из самых экстремальных условий . На самом деле микробы были обнаружены даже за пределами МКС . Так что жизнь, вероятно, могла бы выдержать короткий период вне обитаемой зоны.

С другой стороны, по мере того, как планета приближается к ближайшей к Солнцу точке, температура, вероятно, будет повышаться, и окружающая среда резко изменится. Одно дело приспособиться к очень холодной или очень теплой среде, и совсем другое — приспосабливаться к обоим.

Более подходящим подходом была бы более овальная орбита, когда два раза за цикл она проводит короткий период вне обитаемой зоны, а ее перигей не настолько ближе к Солнцу, что окружающая среда вынуждена радикально измениться. Я также ожидаю, что жизнь с большей вероятностью будет процветать в подземных убежищах, где изменения температуры на поверхности оказывают незначительное влияние.

Я вижу некоторые возможности:

• Вам понадобится жизнь, которая может либо впасть в спячку на какое-то время, а затем снова активироваться невредимой.
• У вас есть жизнь, которая умирает, но производит семена или споры, которые снова начинают жизнь при подходящих условиях. Я бы не ожидал, что здесь разовьется разумная жизнь.
• У вас есть жизнь, которая находится под землей. У нас есть микробы так глубоко под землей, что на них совершенно не влияет температура поверхности.

Я думаю, что первая из них скорее разовьется, если только жизнь не развилась в другом месте и каким-то образом не попала на эту планету, или близкое столкновение с другой планетой не изменило ее орбиту и не развилась жизнь, которая выжила.