Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

К сожалению, подобно тому, как у разных людей могут быть разные представления об идеальной температуре овсянки, разным планетам может требоваться разное количество света звезды для формирования оптимальных условий для развития жизни. Доступного в зоне жизни света может оказаться недостаточно для появления кишащих жизнью океанов на планете, условия на поверхности которой отличаются от земных. Например, менее крупная планета, скорее всего, аккумулирует атмосферу меньшей толщины, чем земная, а значит, температура на ее поверхности будет слишком низкой, чтобы даже в зоне жизни на ней были моря с водой в жидкой фазе. С другой стороны, в зоне жизни обнаружено в пять раз больше газовых гигантов, чем каменистых планет: вряд ли кто-нибудь получит удовольствие от тарелки овсянки в адских условиях атмосферы Нептуна. Нахождение в зоне возможной жизни совсем не гарантирует наличие на планете воды. Мир такого же размера, как Земля, сформировавшийся в богатом углеродом протопланетном диске, обречен на абсолютную сухость. Та же участь ждет и планету, не подвергшуюся бомбардировке покрытыми льдом метеоритами.

Учитывая все это, хочется призвать журналистов, сообщающих об открытии новых экзопланет, к большей сдержанности в оценках, Они часто бездумно используют термин «зона жизни», подразумевая наличие на таких планетах условий для существования жизни. В действительности нахождение в зоне жизни не говорит нам ничего об особенностях среды на поверхности планеты. Оно просто означает, что, если бы поверхность такой планеты была точно такой, как на Земле, вода в вашем стакане, окажись вы на ней, оставалась бы жидкой. Чтобы внести ясность в эту терминологическое путницу, ученые предприняли попытку переименовать зону жизни в «зону умеренных температур». Здесь акцент переносится на наличие благоприятного количества света от звезды без каких-либо намеков на медведей и овсянку. В дальнейшем мы будем следовать этой традиции, чтобы у читателя не возникало ощущения, что его водят за нос.

При самом простом способе определения местонахождения зоны умеренных температур, исходят из допущения, что планета нагревается исключительно светом, который добирается до нее от звезды. Проведя такой расчет для Земли, получим среднюю температуру на поверхности, равную всего лишь 5,3 °C. На самом деле ситуация усугубляется тем, что около трети солнечного тепла Земля отражает, поэтому расчетное значение температуры придется понизить до –18 °C. При такой температуре замерзнут все поверхностные воды, и мы окажемся за пределами области умеренных температур вокруг Солнца, которая будет простираться от 0,47 до 0,87 а.е.[32]

 В этом случае идеальным местом для жизни была бы Венера, а Земля превратилась бы в большой «снежок». К счастью, средняя температура на поверхности Земли составляет 15 °C — на 33 °C выше результата, полученного путем простейшего расчета. Разницей этой мы обязаны тому, что атмосфера выступает в роли естественной теплицы, удерживающей тепло нашей планеты.

Поверхность Земли поглощает проходящее через атмосферу оптическое излучение Солнца. При этом планета нагревается и повторно излучает полученную энергию в виде тепла в инфракрасном диапазоне. Убедиться в этом можно в любой солнечный день. Если потрогать почву ровно в полдень, когда Солнце стоит прямо над головой, она покажется прохладной. Всего через пару часов она может разогреться настолько, что вы не сможете ходить по ней босиком. Между этими двумя крайними состояниями почва поглощает солнечные лучи, чтобы потом отдать их энергию в виде инфракрасного излучения.

Если оптическое излучение может беспрепятственно проходить через земную атмосферу к поверхности планеты, то инфракрасное излучение встречает на своем пути препятствие. Из-за большей длины волны атмосфера поглощает его, не давая покинуть планету. При этом атмосфера нагревается и отражает часть инфракрасного излучения обратно на Землю. Поверхность планеты подвергается дополнительному нагреву благодаря образованному атмосферой защитному покрову. Это явление назвали парниковым эффектом, поскольку прозрачная конструкция для выращивания овощей точно так же нагревает почву за счет удержания инфракрасного излучения и нагретого воздуха внутри остекленного пространства.

Количество энергии инфракрасного излучения, которое остается в атмосфере, зависит от поглощающих его молекул. Основными парниковыми газами в воздухе над поверхностью Земли являются водяной пар и углекислый газ. На водяной пар приходится две трети поглощающих инфракрасное излучение молекул. Еще четверть приходится на углекислый газ. Остальные несколько процентов обеспечиваются различными газами, включая метан, диоксид азота, озон и созданные человеком хлорфторуглероды.