arxiv.org:1908.05909 Моделирование климата планет у внутренней границы ОЗ

[vika vorobyeva]

Сегодня в Архиве вышла новая статья японских товарищей (ведущий автор Таканори Кодама) про моделирование климата планет земного типа у внутреннего края обитаемой зоны:
https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1908/1908.05909.pdf

Как было известно из предыдущего моделирования, при плавном увеличении инсоляции климат планеты земного типа сначала реагирует слабо, но при достижении определенного порога происходит срыв во влажную духовку и резкий рост температур из-за катастрофического парникового эффекта. Освещенность, при которой происходит срыв, зависит от количества воды на планете, и от планетной топографии (наличия или отсутствия связного мирового океана, и т.д.). Кодама сотоварищи рассмотрели 5 моделей: две идеализированных, с 6 водными бассейнами, равномерно распределенными по долготе (вариант а) и собранными в одной области (вариант б), и 3 "реальных" на основе топографии Земли, Венеры и Марса. Глубина бассейнов составила 100 метров. Атмосфера считалась чисто азотной с давлением у поверхности 1 бар, без углекислого газа, период вращения – 1 сут., орбита круговая, орбитальный период 1 год, наклонение оси вращения – 0° для устранения сезонных эффектов.
Как и раньше, в результате моделирования оказалось, что "срыв" климата влажных и сухих планет происходит при разной инсоляции, но теперь границы стали более жесткими.

Итак, хуже всего на увеличение инсоляции реагирует "водная" планета. В случае, когда 6 водных бассейнов равномерно распределены по широте, срыв климата происходит между 1.29 S₀ и 1.30 S₀, где S₀ – современная инсоляция Земли. Выглядит это так: если при 1.29 S₀ средняя температура бессрочно держится немного ниже 320К, при 1.30 S₀ через 50 месяцев от начала расчетов температура достигает 340К, а еще через 50 месяцев превышает 400К.
Если водные бассейны собраны в "мокрое пятно" протяженностью ~30° по долготе, срыв происходит между 1.42 S₀ и 1.43 S₀. В первом случае средняя температура неопределенного долго держится у 325К, во втором – через 150 месяцев от начала счета она уходит за 460К.
Режим "водной" планеты начинает переходить в режим "сухой" при доле суши в 70% (и выше). До доли суши меньше ~63% планета ведет себя как "водная", далее величина инсоляции, необходимой для климатического срыва, растет примерно линейно и достигает 1.55 S₀ для сухой планеты (у которой доля участков, покрытых водой, менее 10% общей площади).
По объему воды переход между "сухой" и "водной" планетой примерно соответствовал 1% объема земных океанов.

Понятно, что все это идеализация, но она задает неплохие ориентиры.

[Dayan]

Спасибо! Очень интересно. Значит венеризация Земли не начнётся через 1 миллиард лет как "принято" считать (на самом деле в профессиональной среде это не принято, но такая точка зрения распространена у обывателей и любителей астрономии благодаря СМИ и Википедии ), поскольку Солнце увеличит свою светимость на 30-40% лишь через 3-4 млрд лет.

[Dayan]

на самом деле в профессиональной среде это не принято

Выходило много статей на эту тему, и споры о внутренней границе зоны обитаемости идут уже не один десяток лет. По некоторым данным даже сама Венера могла свалиться в парилку меньше 1 млрд лет назад, когда инсоляция на планете лишь немного уступала современной (но процентов на 70 превышала нынешнюю земную).

[vika vorobyeva]

Значит венеризация Земли не начнётся через 1 миллиард лет как "принято" считать

Строго говоря, вопрос открыт. Кодама сотоварищи не учитывали углекислый газ, а он может вносить существенный вклад. Поэтому реальные значения инсоляции, при которых происходит срыв, должны быть меньше. Насколько? Пока не знаем
Хорошо бы им все пересчитать, добавив 0.04% углекислого газа (и еще один вариант с 1% CO₂ для верности). Но понятно, что это означает существенное усложнение модели.

[Dayan]

Понятно. Не посмотрел оригинальную статью. Но во всех статьях вечно чего-нибудь не учитывается. В результате их решения даже не совместимы друг с другом. Я даже думаю, что не обязательно реальная инсоляция, при которой происходит срыв должна быть меньше, т.к., например, в этой статье помимо углекислого газа не учитывается ещё много других самых разнообазных факторов. Ну например замедление вращения Земли за миллиарды лет должно быть уже заметным, ослабление магнитного поля планеты, изменение плотности атмосферы, орбиты и др. Какие-то вообще непонятно как учитывать – вроде эволюции биосферы, возможного влияния разума.
Но интересно было бы посмотреть на аналоги Земли и Венеры в других системах.

[Dem]

У углекислого газа есть такой недостаток что он может исчезать и появляться внезапно.
Всего лишь вулканическое извержение сквозь известняки - и мы уже по другую сторону порога.

[Dayan]

Для этого планета должна находиться почти на самом пороге (для Земли, вероятно, через 3-4 млрд лет). Чтобы пересечь порог, полагаю, нужно много углекислого газа, сравнимого по количеству с тем, что есть в атмосфере до выброса (вряд ли даже супервулкан способен "достать" из какого-нибудь известняка достаточное количество углекислого газа). И ему ещё надо продержаться в атмосфере несколько лет. Кстати, геологическая активность планет со временем снижается, и на Земле через сколько-то млрд лет она будет совсем не такой, как сейчас или тем более в прошлом.

[ЕАМ.]

во всех статьях вечно чего-нибудь не учитывается. В результате их решения даже не совместимы друг с другом

Проблема, однако.
Тем не менее, "венеризация" Земле не грозит. Во всяком случае, пока по ней чтой-то не шарахнет так, что даже самое вращение вокруг оси остановит (более чем).

[P.V.Koroliov]

величина инсоляции, необходимой для климатического срыва, растет примерно линейно и достигает 1.55 S0 для сухой планеты

Виктория, а ведь такая величина инсоляции соответствует В НАШЕ ВРЕМЯ расстоянию от Солнца, равному  0,803 а.е.  Предположим, что  Венера и раньше пребывала на расстоянии 0,723 а.е. Тогда получается, что  климатический срыв возможен и для сухой и для "водной" Венеры. Учет СО₂, вероятно, еще больше увеличит расстояние, на котором этот срыв возможен (а для "водной" планеты, требующей для срыва 1.3 S0, это расстояние и так 0,877 а.е.)... Всё это наводит на грустные мысли о том, что внутренний край обитаемой зоны дальше 0,9 а.е.  Возможно, правы те, кто ранее  сделал оценки дающие результат 0,91-0,96 а.е.
Хотя... в прошлом, когда Солнце светило слабее,  Венера все-таки могла быть в обитаемой зоне.  Если модели эволюции Солнца правильны...

[vika vorobyeva]

Расчеты Кодамы сотоварищи не учитывают углекислый газ, поэтому их можно рассматривать как нижний предел на внутреннюю границу обитаемой зоны. И да – Венера в обитаемой зоне или вообще не была, или быстро из нее вышла по мере роста светимости молодого Солнца.

Я думаю, точную границу ОЗ в Солнечной системе мы сможем определить, только изучая климат экзопланет. Земля и Венера сильно отличаются друг от друга по многим важным параметрам, и какой именно из них выстрелил – пока не ясно.

[P.V.Koroliov]

И да – Венера в обитаемой зоне или вообще не была, или быстро из нее вышла по мере роста светимости молодого Солнца

Времени стать обитаемой у нее не было или было маловато... Жаль... Сложно поверить в правоту Л.В. Ксанфомалити, "нашедшего" на поверхности Венеры живых существ. (Не ясно, могут ли микроорганизмы существовать в её атмосфере... ну, хотя бы  не "местные", а зародившиеся где-нибудь и занесенные случайно.)   Но... радует то, что Ксанфомалити не страдал "углеродным шовинизмом"!