Обитаемый спутник газового гиганта - новые вопросы

[Dayan]

Уважаемый Dayan! С одной стороны Вы правы, но с другой стороны, начиная с некоторого "предела" большая плотность планеты не очень большой массы не должна способствовать сохранению атмосферы. Если ускорение свободного падения меньше, чем на Земле (и вследствие меньшего радиуса планетки быстрее (чем у нас) падает с ростом высоты g=g₀/(1+h/r₀)² ), то плотность атмосферы с ростом высоты будет падать медленнее, чем на Земле. Экзобаза окажется слишком высоко. И по причине относительно малого радиуса планетки отношение высоты экзобазы к этому самому радиусу окажется достаточно большим. Вторая космическая скорость на высоте экзобазы будет существенно меньше, чем на поверхности планетки. Таким образом, наращивание второй космической скорости на поверхности путём увеличения плотности планеты удержанию атмосферы способствовать не будет.
Где предел плотности планетки, за которым атмосфере станет только хуже, для меня пока не очевидно.    

Имеет значение и глубина гравитационного "колодца" космического тела. Здесь мы же говорим о конкретном объекте, и рассматриваемая луна имеет массу, превосходящую массу Марса более чем втрое. И по радиусу она больше Марса. Атмосфера, имеющая давление порядка ~ 1 бар у поверхности, и состоящая из азота-кислорода – это всё ещё тонкая атмосфера, плотность которой спадает с высотой очень быстро, поэтому её толщина не сильно превосходит толщину атмосферы Земли, и она всё ещё гораздо меньше радиуса планеты. Ускорение свободного падения, сравнимое с величиной ускорения свободного падения на поверхности Марса, находится на высоте около 2000 км над рассматриваемой луной (т.е. меняется с 0.86 до 0.38 g, а подавляющая часть массы атмосферы приходится на тонкий слой гетеросферы около 100–200 км над поверхностью), но высота над луной, где вторая космическая скорость становится равной второй космической на поверхности Марса, равна ~ 6.5 тыс км. По моим грубым прикидкам экзобаза находится на высоте около 1–1.5 тыс км (ближе к нижнему значению). "Запас" высот, где вторая космическая ещё довольно большая, гораздо шире, чем у Марса, хотя и скромнее, чем у Земли. Большая часть потерь атмосферы спутника, как и у Земли, приходится на высотный водород.
Недавно была статья о результатах измерения дейтерия к водороду в марсианских глинах гесперийского периода (около 3.6 млрд лет назад) с помощью марсохода Кьюриосити, что кстати подтверждает выводы исследований марсианских метеоритов. Скорее подтверждается предположение о том, что запасы водорода в атмосфере раннего Марса достигали от 1 до 100 бар, и в течение, возможно, 500 млн лет на поверхности планеты сохранялись условия для существования океана жидкой воды, т.к. водород тот ещё парниковый газ.
Кстати, если мне не изменяет память, то на форуме о водородной атмосфере раннего Марса писал когда-то AlexAV.
С другой стороны, скорости потерь кислорода и азота в атмосфере Земли превышают 1 триллион лет. На основе всего сказанного я могу заключить, что скорость потери тяжёлой атмосферы рассматриваемого обитаемого спутника (с океанами) лежит между несколькими сотнями млн лет и несколькими трлн лет, вероятнее всего, это время значительно превышает время жизни родительской G0-звезды.

[P.V.Koroliov]

Здесь мы же говорим о конкретном объекте, и рассматриваемая луна имеет массу, превосходящую массу Марса более чем втрое. И по радиусу она больше Марса. Атмосфера, имеющая давление порядка ~ 1 бар у поверхности, и состоящая из азота-кислорода – это всё ещё тонкая атмосфера, плотность которой спадает с высотой очень быстро, поэтому её толщина не сильно превосходит толщину атмосферы Земли, и она всё ещё гораздо меньше радиуса планеты. Ускорение свободного падения, сравнимое с величиной ускорения свободного падения на поверхности Марса, находится на высоте около 2000 км над рассматриваемой луной (т.е. меняется с 0.86 до 0.38 g, а подавляющая часть массы атмосферы приходится на тонкий слой гетеросферы около 100–200 км над поверхностью), но высота над луной, где вторая космическая скорость становится равной второй космической на поверхности Марса, равна ~ 6.5 тыс км. По моим грубым прикидкам экзобаза находится на высоте около 1–1.5 тыс км (ближе к нижнему значению). "Запас" высот, где вторая космическая ещё довольно большая, гораздо шире, чем у Марса, хотя и скромнее, чем у Земли. Большая часть потерь атмосферы спутника, как и у Земли, приходится на высотный водород.

Cпасибо! Всё понятно. А вот если бы мы рассматривали некий  "Марс повышенной плотности", а не планету с утроенной марсианской массой, то, вероятно, никакой пользы для атмосферы от этой повышенной плотности при одной марсианской  массе не было бы.
Миниземли, очевидно,  хороши для их обитателей тем, что с них легче выбраться в космос. Следовательно, обитатели миниземель с большей вероятностью способны освоить свои планетные системы.
Обитатели суперземель в космос точно не летают, пока не изобретут что-то экстраординарное. Не ясно что... Некие "летающие тарелки"...  Не понятно только, основываясь на каких принципах, можно  их изобрести.
  Если бы наша Земля была, например, на 45% легче, чем сейчас, а на Марсе была бы плотная углекислотная атмосфера и океан из воды, и никакой жизни, то... вероятно, наши колонии на Марсе уже существовали бы...  Планета у нас слишком массивная, и рядом нет миров пригодных для легкой колонизации, поэтому у нас с космической экспансией  большие проблемы.   
 

[an 2]

Cпасибо! Всё понятно. А вот если бы мы рассматривали некий  "Марс повышенной плотности", а не планету с утроенной марсианской массой, то, вероятно, никакой пользы для атмосферы от этой повышенной плотности при одной марсианской  массе не было бы.

Польза бы была, хотя небольшая, так как повышенная плотность при той же массе даст и повышенную параболическую скорость убегания.
Так например, если бы средняя плотность  Марса вместо его 3.9 гр/см.куб. была бы как у Меркурия 5.43 гр/см. куб, то параболическая скорость у такого Марса была бы вместо 5 км/сек,
5,9 км/сек, а если бы Марс почти весь состоял из железа, то его средняя плотность была бы ~ 7 гр/см.куб. и скорость убегания  была бы 6,7 км/сек, хотя тут была бы проблема из чего  образоваться атмосфере.

[P.V.Koroliov]

Так например, если бы средняя плотность  Марса вместо его 3.9 гр/см.куб. была бы как у Меркурия 5.43 гр/см. куб, то параболическая скорость у такого Марса была бы вместо 5 км/сек,
5,9 км/сек, а если бы Марс почти весь состоял из железа, то его средняя плотность была бы ~ 7 гр/см.куб. и скорость убегания  была бы 6,7 км/сек, хотя тут была бы проблема из чего  образоваться атмосфере.

И где была бы экзобаза при меньшем радиусе планеты и более быстром убывании гравитации с высотой? И какова была бы скорость убегания на высоте экзобазы? "Улучшенный Марс с плотностью Меркурия" имел бы радиус 3036 км.  На высоте 1000 км скорость убегания была бы 5, 12 км/с. И где гарантия, что высота экзобазы не была бы равна 1000-1500 км? У  нас на Земле равна 500-1000 км. 
При плотности Марса ~ 7 г/см³ его радиус составил бы приблизительно 2790 км. На высоте 1500 км скорость убегания была бы  равна 5, 4 км/с. Ускорение свободного падения уже на высоте 1000 км составляло бы всего лишь 54,2% от его значения на поверхности. Чем меньше гравитация на поверхности и чем быстрее она падает с ростом высоты, тем выше окажется экзобаза. На поверхности почти железного Марса ускорение свободного падения g₀ равнялось бы лишь 5,507 м/с².

[Dayan]

  Если бы наша Земля была, например, на 45% легче, чем сейчас, а на Марсе была бы плотная углекислотная атмосфера и океан из воды, и никакой жизни, то... вероятно, наши колонии на Марсе уже существовали бы...  Планета у нас слишком массивная, и рядом нет миров пригодных для легкой колонизации, поэтому у нас с космической экспансией  большие проблемы.   

Пути развития цивилизации предсказать сложно, конечно. Это непрерывная цепочка каких-то случайностей. Но если бы Земля была бы вдвое меньше реальной по массе, а Солнце было бы не звездой спектрального класса G2 V, а немного менее массивной звездой, например класса K0 V, а на внешнем краю зоны обитаемости вместо аналога Марса находилась бы планета в 3–4 массы реального Марса, да ещё хотя бы немного была покрыта жидкой водой, то, подозреваю, её колонизация с неплохой вероятностью началась бы поскорее колонизации реального Марса от момента выхода в космос.

[P.V.Koroliov]

Пути развития цивилизации предсказать сложно, конечно. Это непрерывная цепочка каких-то случайностей. Но если бы Земля была бы вдвое меньше реальной по массе, а Солнце было бы не звездой спектрального класса G2 V, а немного менее массивной звездой, например класса K0 V, а на внешнем краю зоны обитаемости вместо аналога Марса находилась бы планета в 3–4 массы реального Марса, да ещё хотя бы немного была покрыта жидкой водой, то, подозреваю, её колонизация с неплохой вероятностью началась бы поскорее колонизации реального Марса от момента выхода в космос.

Вполне возможно, в космос рвутся лишь обитатели миниземель. И колонизируют только очень легкие для колонизации планеты (с атмосферами, океанами и без жизни). Набираются опыта и, возможно, в процессе межпланетной экспансии открывают нечто такое, что необходимо для экспансии межзвёздной. (Неужели перелёт, например, от Проксимы Центавра до Альфы Центавра для кого-то на нас похожего столь же сложен как для нас перелёт  до  Альфы Центавра? Есть же где-нибудь звёзды между которыми в данный момент времени расстояние десятки а.е.) У жителей суперземель, быть может, стремление выйти в космос  пропадает сразу от осознания бесперспективности ЖРД для этой цели. И надолго пропадает... Им хуже, чем нам.

[Dayan]

Вполне возможно, в космос рвутся лишь обитатели миниземель. И колонизируют только очень легкие для колонизации планеты (с атмосферами, океанами и без жизни). Набираются опыта и, возможно, в процессе межпланетной экспансии открывают нечто такое, что необходимо для экспансии межзвёздной. (Неужели перелёт, например, от Проксимы Центавра до Альфы Центавра для кого-то на нас похожего столь же сложен как для нас перелёт  до  Альфы Центавра? Есть же где-нибудь звёзды между которыми в данный момент времени расстояние десятки а.е.) У жителей суперземель, быть может, стремление выйти в космос  пропадает сразу от осознания бесперспективности ЖРД для этой цели. И надолго пропадает... Им хуже, чем нам.

К сожалению, в области межпланетных и межзвёздных перелётов мои познания ограничены.
Но по поводу суперземель мне есть что сказать с точки зрения изучения экзопланет за последние 20 лет. Под "суперземлями" в данном случае буду понимать скалистые планеты, имеющие тонкие атмосферы и твёрдую поверхность (возможно, наряду с неглубокими океанами как на Земле, если речь про зону обитаемости).
Наблюдения телескопов Кеплер и TESS показали чрезвычайно широкую распространённость мининептунов и водных планет в других системах, причём большинство таких планет открыто на близких к звёздам орбитах, поскольку вероятность открытия планет резко уменьшается с расстоянием от родительской звезды. Однако это не значит, что на более далёких орбитах частота встречаемости богатых лёгкими веществами (водородом-гелием, водой, метаном, углекислым-угарным газами, азотом-кислородом и т.д.) планет падает. Наоборот, статистика распространённости мининептунов показывает, что при приближении к зоне обитаемости звёзд таких планет становится больше, и вблизи зоны обитаемости стабилизируется. В распределении всех планет по радиусам есть провал (зазор) Фултона, названный в честь его первооткрывателя в 2017 году, приходящийся на радиусы 1.5–2 R⊕ для "умеренно горячих" и "тёплых" планет (т.е. с инсоляциями от инсоляции на Венере, и до инсоляций на 2 порядка более высоких). По-видимому, мы имеем дело с условной границей, разделяющей скалистые и водные планеты от планет, богатых водородом-гелием. Это значит, что планеты с массами буквально от 3–5 M⊕ способны эффективно удерживать водород миллиарды лет в более жёстких условиях, чем на Меркурии. Зазор Фултона перемещается к меньшим радиусам при удалении от звезды и приближении к зоне обитаемости – там он лежит в интервале радиусов уже примерно 1.0–1.4 R⊕.
Обилие горячих-тёплых мининептунов и водных планет говорит об эффективности механизма миграции планет после их образования в холодных областях протопланетных дисков. Подытоживая сказанное, очевидно, что в зоне обитаемости звёзд самыми крупными скалистыми планетами, без массивных водородно-гелиевых оболочек, статистически являются планеты с околоземной массой (!), причём это не отменяет также того, что среди землеразмерных планет истинно скалистыми является лишь некоторая часть, так как есть ещё вода, которую удалить с планеты ещё сложнее, чем водород-гелий, и которая – самое распространённое соединение во Вселенной после H₂. А суперземли могут существовать только на очень близких к звёздам орбитах, при огромных инсоляциях. Лишь в очень редких случаях какие-то мелкие суперземли, например с массой 2 M⊕, могут находиться в зоне обитаемости. Существование суперземель без существенной оболочки из воды и массивной атмосферы в зоне обитаемости ещё надо объяснить. К этому может, к примеру, привести цепочка импактов с соразмерными телами. Маловероятно, что суперземли массивнее 2–3 M⊕ могут существовать в зоне обитаемости и дальше от звезды.

[P.V.Koroliov]

Это значит, что планеты с массами буквально от 3–5 M⊕ способны эффективно удерживать водород миллиарды лет в более жёстких условиях, чем на Меркурии.

А ведь это странно. Планеты относительно маломассивные и к звездам близкие удерживают водородные атмосферы?  И это при том, что термосферы горячи?
 

Маловероятно, что суперземли массивнее 2–3 M⊕ могут существовать в зоне обитаемости и дальше от звезды.

Если такие существуют, и разумная жизнь на них есть, то жизни этой и с таких планет выбраться в космос будет сложно.

Но если бы Земля была бы вдвое меньше реальной по массе, а Солнце было бы не звездой спектрального класса G2 V, а немного менее массивной звездой, например класса K0 V, а на внешнем краю зоны обитаемости вместо аналога Марса находилась бы планета в 3–4 массы реального Марса, да ещё хотя бы немного была покрыта жидкой водой, то, подозреваю, её колонизация с неплохой вероятностью началась бы поскорее колонизации реального Марса от момента выхода в космос.

Рассуждения эти показывают, что очень благоприятные условия для начала космической экспансии, видимо, встречаются не так уж и часто. Экспансия на ранних этапах, вероятно, "захлёбывается". У многих ли ВЦ интерес к космосу может пропасть? Не объясняет ли это низкую "плотность населения" в нашей Галактике и то, что мы никого ещё не нашли?     

[Dayan]

А ведь это странно. Планеты относительно маломассивные и к звездам близкие удерживают водородные атмосферы?  И это при том, что термосферы горячи?

Это же наблюдательный факт. Кеплером и TESS открыто множество мининептунов и водных планет горячее Меркурия. Такой тип планет встречается у звёзд очень широко, на самых разных орбитах.
Менее массивные мининептуны, 1–5 масс Земли, удерживают водород при больших инсоляциях не так эффективно, конечно, но водород не может существовать на планете в отрыве от других летучих веществ (из-за формирования таких планет в холодных частях протопланетных дисков), например воды, а она может являться непрерывным источником водорода. "Испаряться" такая планета может миллиарды лет. Ну потеряет такая планета, скажем, 5–15% своей массы за время жизни солнцеподобной звезды, при изначальном количестве воды 50% массы, в общем-то, ничего страшного.
Планеты с массами более 5 M⊕, даже умеренно горячие, удерживают водород значительно эффективнее.

Рассуждения эти показывают, что очень благоприятные условия для начала космической экспансии, видимо, встречаются не так уж и часто. Экспансия на ранних этапах, вероятно, "захлёбывается". У многих ли ВЦ интерес к космосу может пропасть? Не объясняет ли это низкую "плотность населения" в нашей Галактике и то, что мы никого ещё не нашли?   

Конечно, присутствие в системе второй скалистой планеты с жидкой водой на поверхности не очень вероятно, но может экспансия на ранних этапах – это не такая уж и нужная вещь? Может цивилизациям как бы необходимо пройти несколько длительных этапов развития между первым выходом в космос и полноценной колонизацией других планет/спутников родительской планетной системы?

[P.V.Koroliov]

Это же наблюдательный факт. Кеплером и TESS открыто множество мининептунов и водных планет горячее Меркурия. Такой тип планет встречается у звёзд очень широко, на самых разных орбитах.

Факты - вещь упрямая. А температуры термосфер у этих планет каковы? Есть ли какие-нибудь измерения или оценки?

[P.V.Koroliov]

Конечно, присутствие в системе второй скалистой планеты с жидкой водой на поверхности не очень вероятно, но может экспансия на ранних этапах – это не такая уж и нужная вещь?

А, может быть, сложность экспансии на раннем этапе и отбивает охоту к экспансии? А вот присутствие в системе второй скалистой планеты с жидкой водой на поверхности "вдохновляет". И эта "особенность поведения ВЦ" объясняет низкую плотность заселения Галактики. 

[Dayan]

А температуры термосфер у этих планет каковы? Есть ли какие-нибудь измерения или оценки?

Есть, но не помню где видел.

[Dayan]

А, может быть, сложность экспансии на раннем этапе и отбивает охоту к экспансии? А вот присутствие в системе второй скалистой планеты с жидкой водой на поверхности "вдохновляет". И эта "особенность поведения ВЦ" объясняет низкую плотность заселения Галактики.

Мне кажется, что если в системе есть вторая планета с жидкой водой на поверхности, то она, вероятно, тоже будет занята какими-то аборигенными формами жизни (я не о разумной жизни), а это может создать проблемы похуже экспансии на Марс.

PS Похоже разговор отклонился куда-то совсем в оффтоп.

[P.V.Koroliov]

Мне кажется, что если в системе есть вторая планета с жидкой водой на поверхности, то она, вероятно, тоже будет занята какими-то аборигенными формами жизни (я не о разумной жизни), а это может создать проблемы похуже экспансии на Марс.

Таким образом, получается, что для колонизации нужны жизнепригодные планеты без жизни. Поскольку таких может оказаться очень мало, то это объясняет совсем не лавинообразный характер экспансии ВЦ. А мы почему-то удивляемся отсутствию "ударной волны разума" в Галактике. Конечно, малочисленные колонии можно основывать и в не очень-то привлекательных мирах. Но почему мы должны полагать, что ВЦ так и рвутся колонизировать  сложные для колонизации планеты?

 

Похоже разговор отклонился куда-то совсем в оффтоп.

Обитаемый спутник газового гиганта был бы интересен тем, что:
1) его обитателям проще выбраться в космос (ибо спутник относительно маломассивен);
2) им не сложно добраться до других спутников планеты-гиганта (они не так уж далеко);
3) они могли бы достичь тригональных точек либрации системы "звезда - планета-гигант, и, если там существовали  бы "троянские планеты", то для обитателей  спутника газового гиганта те планеты могли бы оказаться "подходящими" (т.к. находятся на том же расстоянии от звезды).
Поэтому такой разговор об особенностях жизни на спутнике газового гиганта не является отклонением  совсем уж в оффтоп.