Насколько маленькой может быть планета, похожая на Землю, при этом реально способная поддерживать человеческую жизнь?

Размер и гравитация

Вот удобное уравнение, если вы хотите найти радиус планеты с такой же поверхностной гравитацией, как у Земли (или рядом с ней), но с другой плотностью. Если вы хотите изменить размер, но сохранить ту же гравитацию, вам нужно возиться с плотностью.

Где$r$- радиус в метрах, г - гравитация Земли (9,8 м/с),$G$- гравитационная постоянная (6,67384E-11), а$\rho$плотность вашей планеты в килограммах на кубический метр. Я вывел это уравнение из уравнения гравитации на поверхности .

Вы можете проверить это, введя плотность земли в кг на кубический метр: 5510 кг/м^3.

Проверять.

Итак, вы можете начать искать плотности различных материалов или смесей и выяснять, насколько большой была бы ваша планета с поверхностной гравитацией, такой же, как у Земли.

Например, я проверю радиус планеты из платины. Плотность платины составляет 21,09 грамма на кубический сантиметр. Преобразуйте это в килограммы на кубический метр: 21 090 кг/м^3.

Теперь подставьте его в уравнение, и вы получите радиус 1662 км для планеты из твердой платины . Это немного меньше нашей Луны.

Можно получить такую ​​маленькую планету с земной гравитацией, но интуитивно это маловероятно.

Атмосфера и климат

Я уверен, что кто-то заметил бы, если бы я не упомянул об этом, это гораздо больше, чем гравитация, необходимая для создания планеты, похожей на Землю.

Планета не может вращаться слишком быстро . Также необходимо магнитное поле для защиты от солнечного ветра. Так что ваша планета не может быть сделана из твердой платины. Но вы можете смешать несколько разных материалов и включить их в измерение плотности по соотношению их массы на вашей планете.

Предполагая, что вы начинаете с атмосферы и различных требований к ней . Вы на пути к обитаемой планете .

Планете потребуется достаточная гравитация, чтобы сохранить кислород и воду. Технически было бы достаточно меньше, чем обычно для Земли, но размер планеты также имеет значение. Раздражающе маленькие планеты хуже удерживают атмосферу, поэтому мы можем начать с предположения, что потребуется 1G. Реальная физика, естественно, сложнее, но, к сожалению, ее слишком сложно моделировать. Насколько я понимаю, из-за наличия только одной обитаемой планеты для изучения многое из того, что вы читаете по этой теме, не доказано.

Отношение диаметра планеты может быть уменьшено при сохранении той же гравитации, что является обратным отношением плотности, которое может быть увеличено.

К сожалению, Земля уже довольно плотная. Ни один естественный процесс, создающий значительно более плотные планеты, не известен. Я думаю, что увеличение плотности на 10% было бы правдоподобным, но это далеко не тот уровень уменьшения размера, который вы хотите.

Так что вам придется забыть о той же гравитации и найти лазейку ...

Очевидным является то, что, поскольку колонисты находятся на планете совсем недолго, атмосфера должна быть стабильной только на короткое время. Планета будет быстро терять летучие вещества, но высокий уровень вулканизма будет восполнять их так же быстро. Некоторые летучие вещества могли быть получены относительно недавно в результате столкновений с кометами и астероидами. Такая тяжелая бомбардировка также достаточно нагрела бы и расколола кору планеты, чтобы вызвать выброс оттуда других летучих веществ.

У Марса была такая атмосфера, и Марс имеет примерно половину диаметра Земли и 30% площади поверхности. Таким образом, планета полуросликов должна быть пригодна для жизни в течение нескольких миллионов лет. Кроме того, более тяжелые элементы естественным образом не концентрируются вблизи поверхности. Это означает, что ценные минералы приносятся ударами астероидов. Планета халфлингов, вероятно, богата ценными минералами из-за того, что бомбардировка была относительно недавней, и никакие процессы еще не позволили им погрузиться глубже. (Планета, вероятно, была бы слишком мала для тектоники плит.)

К сожалению, в этой атмосфере не было бы свободного кислорода. Таким образом, вашим колонистам либо потребуется какое-то простое терраформирование (введите фотосинтетическую жизнь и подождите), либо кто-то или что-то еще уже внедрило такую ​​жизнь на планету. Это может означать либо другую планету с жизнью в той же системе, либо визит инопланетян давным-давно.

В качестве альтернативы, вы могли бы просто иметь планету размером с Землю, которая имеет менее пригодную для жизни площадь суши, доступную в виде одного небольшого континента. Это будет эмулировать все эффекты планеты с «меньшей, но такой же гравитацией», но без какой-либо спекулятивной науки. На самом деле зависит от того, почему вы хотите меньшую планету.

Океанский мир с одним континентом с обитаемыми прибрежными районами и центральной пустыней ограничил бы пространство для роста колонии, но не до такой степени, чтобы люди были вынуждены строить плавучие аркологии или масштабные проекты ирригации пустыни. С другой стороны, планета без тектоники плит может вообще не иметь настоящих континентов. Вся земля будет из крупных магматических провинций. Почему это хорошо? Цитата из связанной статьи может дать ответ:

Изучение LIP имеет экономические последствия. Некоторые рабочие связывают их с захваченными углеводородами. Они связаны с промышленными концентрациями медно-никелевых и железных месторождений. Они также связаны с формированием основных минеральных провинций, включая месторождения элементов платиновой группы (ЭПГ), а в кремниевых LIP - месторождения серебра и золота. Месторождения титана и ванадия также встречаются в ассоциации с LIP.

Этот вопрос был рассмотрен в хорошей, очень простой и читаемой статье Уильямса, Кастинга и Уэйда в 1997 году (см. здесь ). В этой статье основное внимание уделяется спутникам планет-гигантов, но идея та же, и они затрагивают вопрос о том, что именно необходимо с точки зрения массы планеты для жизни.

Хитрость в том, что мы не знаем точно, что находится в контрольном списке на всю жизнь. Уильямс и его коллеги рассмотрели два ключевых момента: 1) планета должна иметь достаточную гравитацию, чтобы удерживать атмосферу, и 2) внутри планеты должно быть достаточно долгоживущих радионуклидов, чтобы обеспечить источник тепла, способный поддерживать тектонику плит.

Они придумали нижний предел обитаемости около массы Марса (0,1 массы Земли). Ключевым ограничивающим фактором является внутренний источник тепла, и здесь есть некоторая неопределенность. Несколько лет спустя я переделал их расчеты с немного более консервативными предположениями и в итоге получил около 1/3 массы Земли в качестве нижнего предела.

Вот краткое изложение различных факторов: https://planetplanet.net/2014/05/20/building-the-ultimate-solar-system-part-2-choosing-the-right-planets/

Одна хитрость заключается в том, чтобы получить правильную плотность атмосферы. Слишком тонкий, и трудно дышать. Слишком толстый, и у вас недостаточно света в нижней части атмосферы, чтобы наполнить энергией экологию.

Планеты теряют атмосферу. Существует распределение энергии между молекулами газа при любой заданной температуре. В верхней части атмосферы некоторые из них превышают скорость убегания из этой точки.

Средняя молекулярная скорость зависит от температуры. Более горячее солнце или нахождение ближе к солнцу означает более быстрый побег.

Скорость убегания зависит как от массы, так и от расстояния до центра планеты. Более тяжелая планета = более медленный побег. Большая планета = более медленный побег.

Последнее может противоречить интуиции: если у вас есть более крупная планета с меньшей плотностью, но все еще имеющая поверхностную гравитацию в 1 г, скорость убегания будет значительно выше.

Сильное магнитное поле помогает удерживать атмосферу. Многие молекулы в верхних слоях атмосферы ионизированы. Ион не может двигаться по прямой линии в магнитном поле, а вместо этого движется по спирали вокруг силовых линий магнитного поля. Поскольку поле проникает в землю с обоих концов, ион в конце концов снова попадает в атмосферу. (Хорошо, это более беспорядочно. На полюсах происходит схождение силовых линий. Это действует как зеркало для медленных ионов. Поэтому они отскакивают туда и обратно между северным и южным полюсами.)

Так почему же у Венеры с такой же массой и диаметром, как у Земли, так много атмосферы? Это жарче. У него не так много магнитного поля. Он должен потерять атмосферу. Хороший вопрос. Я подозреваю, что это отсутствие океанов. Нет океанов = нет процессов, превращающих CO2 в карбонатные породы.

Марс с сильным магнитным полем может долгое время удерживать атмосферу.