Внутренний край зоны обитаемости

[Ксавье]

Внутренний край зоны обитаемости для землеподобных планет у солнцеподобных звезд спектрального класса G2

Все мы знаем что внутренний край зоны обитаемости в Солнечной системе находится в области орбиты Венеры на расстоянии около 0,7 а.е. По размерам Венера довольно близка к Земле. Радиус планеты равен 6051,8 км (95 % земного), масса — 4,87·1024кг (81,5 % земной). Известно, что жизнь на Венере отсутствует, т.к. на поверхности Венеры температура достигает 465 градусов по Цельсию, а атмосферное давление равно 92 земным атмосферам. И многие, даже ученые, считают, что орбита планеты слишком близка к Солнцу, чтобы на Венере могла появиться и развиваться жизнь. А значит такие же орбиты планет у других солнцеподобных звезд такого же класса считают потенциально необитаемыми и непригодными для жизни.
Нужна помощь. Нужно понять при каких условиях у землеподобных планет солнцеподобных звезд спектрального класса G2 может появиться жизнь на внутреннем краю зоны обитаемости на расстоянии 0,6 - 0,8 а.е. и можно ли считать такую орбиту эффективной для поддержания жизни?

[AlexAV]

Известно, что жизнь на Венере отсутствует, т.к. на поверхности Венеры температура достигает 465 градусов по Цельсию, а атмосферное давление равно 92 земным атмосферам. И многие, даже ученые, считают, что орбита планеты слишком близка к Солнцу, чтобы на Венере могла появиться и развиваться жизнь. А значит такие же орбиты планет у других солнцеподобных звезд такого же класса считают потенциально необитаемыми и непригодными для жизни.

Вообще аналогии с Венерой не очень удачные. Судя по изотопному соотношению инертных газов ранняя эволюция её атмосферы сильно отличалось от земной. 

Вообще возможность поддержания условий подходящих для жизни очень зависит от состава и плотности атмосферы планеты. Чем меньше плотность - тем меньше парниковый эффект и тем ближе можно приблизиться к звезде. Плюс при низкой плотности появляется сильная широтная зональность, что должно ещё несколько сдвинуть границу во внутреннюю область.

P.S. Помещение внутренней границы обитаемой зоны на расстоянии 0,95 а.е. в свете геологической истории земли кажется очень странным. Если ледниковые периоды в истории земли были с большой регулярностью (в том числе и катастрофические вроде оледенения криогения), то столь же катастрофических потеплений на земле никогда не было. Землю явно проще заморозить, чем перегреть. Видимо в модели не учитываются какие-то существенные обратные связи, стабилизирующие климат (может быть процессы захоронения углекислого газа или азота  реагирующие на температуру, или что-то ещё).

[Ксавье]

Вообще аналогии с Венерой не очень удачные. Судя по изотопному соотношению инертных газов ранняя эволюция её атмосферы сильно отличалось от земной. 

Судя по всему соотношение "строительных материалов" в протопланетном диске и у Венеры, и у Земли было различным. Отсюда и разность.

Вообще возможность поддержания условий подходящих для жизни очень зависит от состава и плотности атмосферы планеты. Чем меньше плотность - тем меньше парниковый эффект и тем ближе можно приблизиться к звезде. Плюс при низкой плотности появляется сильная широтная зональность, что должно ещё несколько сдвинуть границу во внутреннюю область.

То есть вы тоже считаете, что есть некое лукавство в выводах и расчетах про открытые экзопланеты?

P.S. Помещение внутренней границы обитаемой зоны на расстоянии 0,95 а.е. в свете геологической истории земли кажется очень странным.

Согласен

[LonelyWanderer]

тут, понимаете почему Земля сдвинута именно к внутреннему, а не внешнему краю, речь идет о возникновении жизни. Сейчас, понятное дело, Земля бы могла выдержать смещение орбиты до Венеры. Зато изначально благодаря мощной еще не связанной атмосфере на Земле было жарко, а на Венере было еще жарче, причем настолько, что океаны не образовались и вся вода оставалась в атмосфере, постепенно диссипируя в космос. Т.е. принципиальный вопрос возможности возникновения первичного океана, спообствующего связыванию мощной первичной парниковой атмосфере

[незлой]

Зато изначально благодаря мощной еще не связанной атмосфере на Земле было жарко

но ведь и солнце было тусклее?

[LonelyWanderer]

Зато изначально благодаря мощной еще не связанной атмосфере на Земле было жарко

но ведь и солнце было тусклее?

Но всё-таки парниковый эффект в от атмосферы в десятки-сотни атмосфер сильнее, чем разность свечения Солнца того и нынешнего периода.
На Венере, повидимому не образовался жидкий океан, вся влага оставалась в атмосфере и диссипировала.


Вот такой график нашел.
http://khd2.narod.ru/info/wat-boil.gif]http://khd2.narod.ru/info/wat-boil.gif]http://khd2.narod.ru/info/wat-boil.gif
 По нём видно, что даже если бы вся вода Мирового океана вскипела и оказалась в атмосфере, сформировав сумасшедшее атмосферное давление, температура кипения бы не достигла 400 градусов, а на Венере, как известно, почти 500. Да, раньше Солнце слабее светило, но ведь и газы на Венере, и вода - не сразу выделились, давление было не тысячи атмосфер, и, соответственно, температура кипения воды была ниже существующей температуры. Вода стала диссипировать в космос и тот самый щелчек, образование океанов, не произошёл, и углекислота не стала связываться в породах.
  На Венере, будучи на орбите Земли в молодость Солнца, температура была бы градусов 300, а это как раз температура кипения воды при давлении около 100 атмосфер - образовались бы океаны, но близкие к кипению. В случае превышения реальной температуры над температурой кипения воды, скорость диссипации воды на Венере могла бы превосходить скорость её поступления из недр и Венера осталась бы такой, которой мы её знаем. А в случае образования океанов, скорость диссипации была бы ниже, т.к. меньше воды в атмосфере и не так высоко бы забиралась, и могла бы образоваться жизнь. Хотя, возможно, лишь на некоторое время, т.к. потеря воды всё-равно будет, но главное - углекислота, будет в значительной степени связана. Поэтому для такой планеты, как Венера внутренний край зоны обитаемости близок к земной орбите.
А для Земли,  с быстрым вращением, с Луной, с магнитным полем и гораздо более слабым улетучиванием воды граница обитаемости наоборот ближе к орбите Венеры (но не достигает её), т.к. накопленная вода позволит сформировать колоссальное давление, позволяющее поднять температуру кипения воды почти до 400 градусов. При молодом Солнце, Венера на была бы сейчас несколько прохладнее. Однако, очень мощная атмосфера, ещё более мощная, чем нынешняя Венерианская, и очень парниковая, поэтому реальная температура больше, и поэтому, собственно, даже для такой планеты, как Земля зона обитаемости не достигает орбиты Венеры.

Короче говоря, внутренний край зоны обитаемости зависит от многих факторов - от вращения планеты, наличия спутника, магнитного поля, наличия или потери первичной атмосферы (на Земле она, похоже была потеряна в большей степени, чем на Венере, судя по соотношениям инертных газов), и может сдвигаться от орбит доходящих, до орбиты Венеры и до орбиты Земли. Т.е. в зависимости от геологических свойств, истории и т.д., внутренний край может колебаться от ~110-120 млн.км (для планет, по свойствам и истории, близких к Земле), до ~150-160 млн.км (для Венеры).

[Проходящий Кот]

Ввиду отсутствия знания о других обитаемых планетах, в качестве эталона обитаемости берется Земля.....

[Ксавье]

Короче говоря, внутренний край зоны обитаемости зависит от многих факторов - от вращения планеты, наличия спутника, магнитного поля, наличия или потери первичной атмосферы (на Земле она, похоже была потеряна в большей степени, чем на Венере, судя по соотношениям инертных газов), и может сдвигаться от орбит доходящих, до орбиты Венеры и до орбиты Земли. Т.е. в зависимости от геологических свойств, истории и т.д., внутренний край может колебаться от ~110-120 млн.км (для планет, по свойствам и истории, близких к Земле), до ~150-160 млн.км (для Венеры).

В принципе, да. Учитывая, что первый глобальный ледниковый период наступил на Земле около 2500 млн лет назад. К тому же если учесть, что Земля в прошлом вращалась вокруг своей оси быстрее чем в наше время, то можно предположить, что климат на Земле в прошлом был более мягким и теплым

[L_Pt]

Проблема Венеры – отсутствие воды. Мощная атмосфера и сверхвысокая температура на поверхности – это уже последствия отсутствия гидросферы.
С атмосферой до земной Венера была бы вполне комфортабельным местом для жизни.

[Алексис]

На Венере, будучи на орбите Земли в молодость Солнца, температура была бы градусов 300, а это как раз температура кипения воды при давлении около 100 атмосфер - образовались бы океаны, но близкие к кипению.

Мне так представляется, что тут надо учесть и такие эффекты.
Кипящая вода отдает пару много тепла. В плотной и горячей атмосфере пар поднимался бы выше, чем сейчас. Здесь пар конденсировался бы отдавая тепло верхним слоям атмосферы, откуда тепло излучалось бы в космос. Из-за высоты облаков эффекты экранировки излучения были бы слабее. Вода же выпадала бы вниз постоянным дождем. Так что планета с кипящими океанами должна сравнительно быстро остывать из-за вертикального выноса тепла в верхние слои атмосферы. Этот процесс может намного опережать эффект диссипации. Заметим, что этот процесс существует постоянно пока на планете есть циркуляция воды.

Земля с обилием воды на орбите Венеры может и остыла бы до приемлемых температур. Но здесь есть вопрос, ответ на который можно получить только конкретными моделированием. Хотя без магнитного поля, сколько бы там осталось к настоящему времени воды, без расчетов, гадать сложно.

Предположим, что на Венере изначально воды было мало. И слишком жарко, чтобы там могли идти дожди достигающие поверхности. В результате между верхними слоями и поверхностью возник разрыв. Циркуляция воды была непродолжительное время и только в пределах атмосферы. С потерей воды уже ничто не мешало сохранять на планете высокую температуру.

[Arton]

Мощная атмосфера и сверхвысокая температура на поверхности – это уже последствия отсутствия гидросферы.

Мощная атмосфера и сверхвысокая температура на поверхности – это только причина отсутствия гидросферы.

[LonelyWanderer]

Мощная атмосфера и сверхвысокая температура на поверхности – это уже последствия отсутствия гидросферы.

Мощная атмосфера и сверхвысокая температура на поверхности – это только причина отсутствия гидросферы.

Последствия. Чем мощнее атмосфера, тем выше температура кипения воды в ней, мощная атмосфера может способствовать повышению температуры кипения воды выше имеющейся температуры, что приведет к образованию водоемов и началу вывода СО2 с атмосферы, путем образования карбонатных пород.

[LonelyWanderer]

Алексис, вряд ли бы Земля на венерианской орбите смогла бы прийти в сегодняшнее состояние. Слишком жарко. Будь сейчас на Венере столько воды, сколько ее имеется на Земле - было бы давление аж под 300-400 атмосфер, но даже тогда температура кипения воды не достигает 400 градусов, а на Венере почти 500.. и было бы еще жарче при такой мощной атмосфере, может быть и все 550-600 было бы.  Так что внутренняя зона граница жизни лежит выше Венеры

[AlexAV]

Алексис, вряд ли бы Земля на венерианской орбите смогла бы прийти в сегодняшнее состояние. Слишком жарко. Будь сейчас на Венере столько воды, сколько ее имеется на Земле - было бы давление аж под 300-400 атмосфер, но даже тогда температура кипения воды не достигает 400 градусов, а на Венере почти 500.. и было бы еще жарче при такой мощной атмосфере, может быть и все 550-600 было бы.  Так что внутренняя зона граница жизни лежит выше Венеры

При наличии воды углекислый газ быстро связывается литосферой. Особенно при некотором повышении температуры и под давлением. Остался бы один азот, а его для такого парникового эффекта, чтобы накипятить океаны не хватит. Плюс есть есть ещё одна тонкость. Спектр паров воды не полностью перекрывает спектр теплового излучения. Там есть окна. И углекислый газ служит "клапаном" закрывающим эти окна. Должна получаться очень стабильная система (палеоклимат земли это подтверждает) с мощной обратной связью. Рост температуры - вымывание углекислоты - сильное падение парникового эффекта (парниковый эффект определяется росселандой теплового излучения в атмосфере, а даже узкие но прозрачные окна увеличивают пробег Росселанда черезвычайно сильно) - охлаждение планеты.

Проблемы Венеры находятся видимо не столько в её расстоянии до солнца, сколько в начальной геологической истории и геохимии. Возможно в исходном соотношение Fe/H2O в коре. Скорее всего оно было сильно выше, чем на Земле (всё же планета формировалась ближе к Солнцу). В результате на земле железо окислилось быстрее чем кончилась вода, а на Венере наоборот. А как не стало воды накопление углекислого газа (который без неё связывается плохо) и привело к таким печальным последствиям.

[LonelyWanderer]

При температуре далеко за 500, а температуре кипения ниже 400 контакта жидкой воды с поверхностью не будет, и процесс будет медленный. Зато столь мощная атмосфера с большим количеством воды будет сильно диссипировать (целый океан в воздухе), т.к. пары воды будут высоко подниматься, до верхних слоев атмосферы (ведь вода - основная состовляющая такой атмосферы).
Все объясняется банальной жарой.
Да и карбонаты, еще вопрос, будут ли образоваваться или разлогаться при таких температурах.
Так что ключевое значением - образование океанов, соответствующее падение давления и температуры.

[AlexAV]

При температуре далеко за 500

Откуда эти 500 на ранней Венере, особенно учитывая слабое Солнце?

При температуре далеко за 500, а температуре кипения ниже 400 контакта жидкой воды с поверхностью не будет, и процесс будет медленный.

Это закритический флюид. Он наоборот чрезвычайно активен.

Зато столь мощная атмосфера с большим количеством воды будет сильно диссипировать (целый океан в воздухе), т.к. пары воды будут высоко подниматься, до верхних слоев атмосферы (ведь вода - основная состовляющая такой атмосферы).

Хорошо. Поднялся. И дальше что? Вода в молекулярной форме гравитацию Венеры покинуть не может. Кислород тоже. Т.е. атмосферу может покидать исключительно водород.

Водород из воды в условиях верхней атмосферы образуется в результате фотолиза:

H2O + hv = OH + H

Но не надо забывать об обратных реакциях:

H + O2 = OH + O
H + O2 = HO2
H2 + O = OH + H

Причём время жизни молекулы водорода по отношению к диссипации в космос измеряется тысячелетиями, а время обратного связывания для радикалов - доли секунды, для молекул - годы. Т.е. на огромное количество порядков меньше. Т.е. даже малая примесь свободного кислорода в атмосфере будет практически перекрывать возможность диссипации водорода в космос.

Ну и главный вопрос. Если водород ушёл в результате фотолиза воды, то куда делся  кислород? Если бы там воды было соизмеримо с тем, что есть на земле и она исчёзала бы в результате фотолиза, то давление кислорода на современной Венере было бы в сотни атмосфер. И где он?
 

[LonelyWanderer]

Кислород ушел на связывание горными породами, как на Марсе. А красный цвет поверхность Венеры даже не обязана иметь, как Марс, т.к. поверхность ее обновлялась.
Вода (водород) с Венеры вся диссипировала, иначе  нужно полагать, что в самой близкой и самой похожей на Землю планете в недрах нет воды при том, что в земных вулканических газах воды больше половины.

Посчитал я по формуле черного тела (где мощность излучения пропорциональна температуре в 4 степени) температуру поверхности Венеры, если бы она оказалась сейчас на орбите Земли, и получилось у меня 360 градусов цельсия. Температура кипения воды при ее  давлении - около 300 градусов. Т.е. водоемы не образовались бы, и Венера бы по-прежнему находилась в стабильном состоянии. Т.е. для Венеры в ее сегодняшнем состоянии зона жизни за орбитой Земли.
Как образовались океаны на Земле тогда? С одной стороны, молодое солнце, на 30-40 процентов слабее. Но с другой - Луна на низкой орбите и приливной разогрев, еще не распавшиеся радионуклиды, накопившееся тепло от дифференциации недр, оставшееся - от столкновения с Тейей, и все это под толстой атмосферой должно было в значительной степени компенсировать недостаток света Солнца.
При 100 атмосферах по аналогии с Венерой получается температура, превышающая температуру кипения воды. Если взять и испарить всю воду мирового океана и получить давление воды+углекислоты аж в 400 атмосфер, то при таком плотном одеяле на поверхности будет не 360 градусов, а под 500. А температура кипения воды с дадьнейшим повышением давления растет медленно и не достигает и 400 градусов. И сейчас вот, испарив всю воду, и достав углекислоту из карбонатов система оставалась бы стабильна, температура бы была похожей на венерианскую и обратного образования океанов не произошло бы. Однако углекислота связана и этл нас спасает.
Тогда же, на заре, какой то щелчек произошел, благодаря которому произошло образование океана, падения давления и температуры.
 Быть может, вода стала появляться на поверхности вскоре после столкновения с Тейей. Через некоторое время поверхность остыла, к тому времени еще не успело выделиться слишком много воды и углекислоты, давление было умеренное, в несколько атмосфер, хотя вулканизм был очень интенсивный (после столкновения геоактивность еще долго долго должна была быть высокой), интенсиность выделения воды и углекислоты была высокой. И если бы не щелчек, получилась бы 2-я Венера. Однако пока было небольшое давление, полюса могли остыть ло температур ниже 100 градусов, тем более, активный вулканизм после столкновения должен был давать много пыли и дополнительное понижение температуры (быть может, именно вулканическая пыль - важнейший фактор), и там образовались водоемы. Началось образование карбонатов, и процесс этот таки победил парниковый эффект. И тут могла сыграть ключевую роль Тейя, благодаря которой потерялась первичная мощная атмосфера, и стало возможным временное появление слабой атмосферы, полной вулканической пыли.

Из этих рассуждений выходит, что внутренняя границы зоны жизни для Земли лежит рядом с нашей орбитой, и внешняя также (из-за глобального оледенения). А для Венеры зона жизни вообще отсутствует, т.к. внутренняя граница становится дальше дальней, за орбитой Земли. Т.е. после преодолевания парникового эффекта и образования океанов планета будет скатываться с ледниковье с постепенной потерей воды и далее по марсианскому сценарию, только не так быстро, как Марс.

[LonelyWanderer]

Вообще, глядя на цифры по образцу  Венеры и Земли, можно подумать, что зона жизни  - вообще редкое явление в ходе эволюции планет, и что для планет, сходных по хим.составу с землей она не существует, и в теорию уникальности Земли. Т.е. зона жизни, конечно, существует, но для готового варианта, который эволюционно возникнуть может с очень низкой степенью вероятности. Океаны либо не образуются из-за жары (Венера, и возможно, Земля лишь случайно, благодаря Тейе обзавелась гидросферой, т.к. цифры показывают, что выдели всю имеющуюся углекислоту и воду в атмосферу - здесь станет слишком жарко для создания океана), либо образуются, но заведомо за внешней границей зоны жизни (Марс), и потом, соответственно, замерзают. Т.е. парниковый эффект преодолевается, образутся океан, он поглощает всю углекислоту и замерзает - по сценарию Марса.
И чтобы появилась такая планета, как Земля, с устойчивой на протяжении миллиардов лет жидкой гидросферой нужна целая цепочка совпадений, возможно как Тейя, образовавшийся крупный спутник, магнитное поле и т.д.

[Arton]

нужна целая цепочка совпадений, возможно как Тейя, образовавшийся крупный спутник, магнитное поле и т.д.

Эту «цепочку» хорошо урезает «бритва Оккама».
И остается лишь единственное разумное (не экстравагантное) допущение – катастрофический парниковый эффект на Венере, нарушающий логическую картину общей эволюции планет земного типа.
Исключив данный фактор (как нехарактерный эпизод планетарной эволюции) можно констатировать единообразие эволюции Венеры, Земли и Марса. То есть, пределы от 0,5 до 2,0 а.е. для Солнечной системы считать типичной "зоной обитаемости".

[EvilShurik]

Я более склонен согласиться с теорией Давида Гринспуна, о том, что часть свой ранней истории Венера имела-таки гидросферу, которую потеряла в результате катастрофического парникового эффекта. Более точно ответить на вопрос могут только посадочные долгоживущие станции, могущие взять образцы породы в наиболее древних областях Венеры. Наличие былой гидросферы накладывает на породы характерный отпечаток.

Кстати, любопытно, по расчётам выходит, что если бы на месте Венеры образовалась бы планета массой нашего Марса, и наоборот, на орбите Марса образовалась бы планета массой нашей Венеры, то обе эти планеты были бы в "зелёной зоне".
На "венерианском марсе" не могла бы образоваться плотная, как у нашей Венеры, атмосфера, и эта планета к нашему времени обладала бы тонкой атмосферой, морями на полюсах, и возможно, специфической жизнью. Допустим, что она вращалась бы так же медленно, как наша Венера. Тогда там наличиствовал бы целый ряд интересных эффектов, вроде замерзающей на теневой стороне атмосферы. Давление на такой планете было бы вряд ли выше одной десятой земной атмосферы.

Что касается тяжёлого Марса - он был бы двойником Земли, с, возможно, более плотной атмосферой, богатой углекислотой и метаном, а также более развитым оледенением, возможно даже как на Земле в криогений. Впрочем, при определённом отношении суша/океан, он мог бы быть и "тёплым", со средней температурой, близкой к земной. Кстати, такой Марс вполне мог стать океанидой.