Избыток воды может угрожать жизни на землеподобных экзопланетах

Если океан становится слишком глубоким, на его дне образуется экзотическая форма льда, блокирующая углеродный цикл, который стабилизирует климат.

Ян Алиберт (Yann Alibert) из Бернского университета (Швейцария) попытался ограничить количество экзопланет, на которых можно подозревать наличие жизни, используя один из наиболее просто выявляемых параметров — их радиус.

Хотя ожидается, что телескопы, запланированные к запуску до конца десятилетия, смогут проверить на жизнепригодность (или даже прямые следы жизни) как минимум близкие к нашей системе экзопланеты, список потенциально обитаемых тел хотелось бы уточнить уже сейчас. Как справедливо замечает исследователь, узнать, какая именно планета будет обитаема, заранее нельзя. Но, предполагает он, можно попробовать точно вычислить те, что необитаемы на сто процентов.

В этом смысле ключевыми параметром он считает атмосферное давление на поверхности планеты и в ещё большей степени — давление на дне её океанов. Почему именно их?

Углеродная жизнь нашего типа, по Яну Алиберту, требует наличия на планете а) жидкой воды на поверхности, б) углеродного цикла. С жидкой водой всё понятно, как очевидно и то, что более массивные планеты смогут удержать воды больше, чем Земля, и часто будут покрыты сплошным океаном. А вот с углеродным циклом нужны некоторые пояснения. На Земле силикатные горные породы подвергаются выветриванию (на суше), после этого они связывают углекислый газ из атмосферы и тот, что растворён в океанской воде, где его намного больше. В итоге образуются карбонаты, опускаются на морское дно, а затем — ещё глубже, к мантии, где при нагреве содержащие этот газ вещества высвобождают его, и он с вулканической активностью вновь возвращается в атмосферу.

Считается, что цикл очень важен для стабилизации климата. К примеру, рост температуры на поверхности вызовет усиление процессов выветривания, да и количество углекислоты, растворённой в океанской воде, неизбежно вырастет. В итоге процесс её связывания в карбонаты так усилится, что концентрация основного парникового газа в атмосфере упадёт. А за ней последует и температура. Напротив, длительное оледенение почти полностью прекратит выветривание силикатов и, само собой, снизит содержание углекислого газа, растворённого в морской воде. В итоге углекислый газ в атмосфере сможет только накапливаться, а деться ему будет некуда, что рано или поздно приведёт к размораживанию планеты.

Как подчёркивает учёный, на планете-океане вся эта схема может пойти прахом. Глубокий океан сформирует на дне слой экзотического льда VII, который сыграет роль «глобального оледенителя» и не даст карбонатам опускаться в мантию. Рано или поздно углерод оттуда перестанет поступать с вулканической активностью, и углеродному циклу со всей его стабилизирующий климат ролью наступит конец. Для достижения таких условий давление там, согласно автору, должно быть около 2,4 ГПа.

Что получилось? По мнению исследователя, планеты с массой от двух до 12 земных в зависимости от конкретного состава могут колебаться по размерам от 1,8 (для двух масс нашей планеты) до 2,3 радиуса Земли (для 12 земных масс). Если же размер планеты превысит указанные значения, при всех исследованных вариантах её состава, давление на дне океанов будет слишком большим для поддержания углеродного цикла: всё заблокирует вечная толща льда. Причём эта оценка радиуса дана с определённым запасом: фактически большинство планет могут стать необитаемыми уже при радиусе примерно на 0,5 R_E меньше, чем вышеуказанные, считает г-н Алиберт.

Стоит заметить, что, по некоторым оценкам, большинство «суперземель», открытых тем же «Кеплером», при их предлагаемой массе слишком крупны, чтобы уложиться в этот ограничитель. На первый взгляд, это создаёт некоторую озабоченность судьбой большинства потенциальных прибежищ внеземной жизни. Однако автор считает, что в теории столь большой радиус не говорит о непригодности экзопланеты для жизни в будущем. По его словам, если углеродный цикл будет блокирован, на планете может начаться процесс, сходный с тем, что имел место на Земле во время глобальных оледенений, то есть накопление углекислого газа в атмосфере без его эвакуации в мантию. Когда вулканическая активность выбросит в атмосферу достаточно большое количество диоксида углерода, начнётся безудержный парниковый эффект, по итогам которого температура поднимется до точки начала потери гидросферы. Вода просто будет интенсивно испаряться в космос, и лишь после того, как будет потеряно достаточное её количество, давление на дне океанов упадёт до значения, при котором лёд VII исчезнет и углеродный цикл опять сможет нормализоваться.


Из этого сдержанного, но оптимистичного вывода сам собой образуется вопрос: как мы отличим планету с большим радиусом, которая уже избавилась от лишней гидросферы и запустила углеродный цикл, от той, где такого цикла ещё нет, поскольку океаны не испарились до нужной степени? Увы, на этот вопрос исследователь ответа не даёт.

Неясно и то, насколько может варьироваться доля воды в составе планеты даже формально небольшого радиуса: может ли случиться так, что слишком глубокий океан и (или) слишком плотная атмосферы образуются на поверхности планет меньше Земли (вспомним хотя бы Венеру и гипотетический подлёдный океан Европы)? Наконец, как отмечает и сам Ян Алиберт, при наличии на планете больших количеств веществ вроде аммиака и углекислого газа точка кристаллизации для экзотических форм льда может заметно отличаться от характерных для чистой воды, что также способно сдвинуть радиус потенциально обитаемых «суперземель» в сторону увеличения. Для того чтобы понять, насколько именно, учёный считает необходимым проведение дополнительных исследований.