Еще к обитаемости планет красных карликов. Некоторое время назад в Архиве была опубликована любопытная статья
https://arxiv.org/abs/2212.06185Обитаемость вблизи терминатора в случае ограниченного наличия воды у каменистых планет красных карликов.
В этой работе более подробно рассматривается возможность существования скалистых планет с обитаемостью в полосе на переходе между раскаленной дневной стороной и ледниковой ночной стороной с атмосферным составом подобным Земле.
В большинстве случаев, когда рассматривался вопрос об обитаемости приливно -запертых планет красных карликов, внимание сосредотачивалось на подзведной области или на темной стороне.
Характеристики таких планет в зоне вблизи терминатора рассматривались мало.
А между тем важно, чтобы мы понимали весь спектр возможных климатов планет М-карликов и их перспективы для обитания.
Авторы исходят из того, что с одной стороны из-за низкой светимости карликов класса M их зоны конденсации летучих в т. ч. воды, относительно близки к обитаемой зоне (0,3 а.е.), так что миграция во внутреннем диске может способствовать появлению богатых водой каменных планет в обитаемой зоне, но с другой стороны вероятна большая потеря летучих в т. ч. воды, на ранних этапах эволюции таких планет из за большого излучения ранних красных карликов. так что есть большая вероятность, что они будут или сухими полностью, или иметь малые запасы воды. Еще потеря воды может произойти из-за холодных ловушек на поверхности ночной стороны или диссипации водяного пара из атмосферы.
В статье рассматривается климат такой каменистой планеты , когда планета, конечно орбитально -запертая, будет не совсем сухая, а иметь некоторый запас воды оставшейся после воздействия интенсивного излучения ранней хозяйской звезды.
Для сравнения как изменится климат в случае малого содержания воды, они сначала рассматривают сценарии климата с богатым водным покровом в случае когда воды много, а потом переходят к выяснению климата планеты с малым содержанием воды.
Если содержание воды велико, то существует значительное уменьшение диапазона температур поверхности по мере приближения планеты к звезде, у внутреннего края обитаемой зоны будет уменьшение диапазона температур поверхности по мере приближения планеты к звезде.
по мере увеличения средней температуры планеты ночная сторона прогревается больше, чем дневная, и контраст дневной и ночной сторон становится малым и планеты в основном пригодны для жизни. Рис b.
-100 0 100 C
Рис b
Температуры поверхности (градусы C) с подзвездной точкой в центре. Черная линия обозначает терминатор
Перепад температур становится меньше, так как водяной пар приводит к пикам поглощения звездного излучения (SW) в средних и верхних слоях атмосферы что в сочетании с отражением от облаков препятствует проникновению SW(звездное излучение) до поверхности, что показано на рис. 4c.
рис. 4c Альбедо и вертикально интегрированная общая доля облачности (синие контуры)
Существует сильная приповерхностная конвергенция в подзвездной области (рис. 4а), которая вызывает восходящий поток. Затем поток расходится в середине/вверху.
Рис 4a Приповерхностные температуры (град С) и ветер
Затем поток расходится в средней/верхней тропосфере (рис. 4b) и опускается на ночную сторону планеты
рис. 4b Средняя тропосфера, геопотенциальная высота (км) и ветровой режим.
И в результате получается, что уменьшение разности дневных и ночных температур на наших богатых водой планетах происходит благодаря увеличению чистого переноса энергии, который отводит дополнительную энергию от дневной стороны и конвергирует дополнительную энергию на ночной стороне. Другими словами, при увеличении звездного излучения перенос увеличивается, уменьшая интенсивность дневного потепления и усиливая ночное потепление. При более высоких температурах поверхности и атмосферы, а также при увеличении конвергенции потоков влаги увеличивается количество водяного пара в атмосфере ночной стороны (рис. 2б), что способствует дополнительному потеплению ночной стороны за счет усиления локального парникового эффекта.
Затем авторы переходят к рассмотрению случая, когда на планете дефицит воды.
Используются модели землеподобных планет в которых с получившимся содержанием воды в 20% и 1% воды, относительно содержащейся в земной атмосфере и небольшим количеством воды также в виде поверхностного и грунтового льда сосредоточенных на ночной стороне. (сценарии L34Qe3 и L34Qe4, а также другие) При таком снижении содержания водяного пара в атмосфере будет уменьшение облачности, особенно низкоуровневых облаков.
Это приводит к уменьшение альбедо освещенной стороны, которое становится в значительной степени однородным со значениями от 0,2 до 0,26.
Вблизи подзвездной точки гораздо большая часть излучения ,по сравнению с водной планетой, достигает поверхности , при этом температура дневной поверхности достигает максимума 355К
вертикальная структура температуры атмосферы больше напоминает засушливую область на Земле, при этом вертикальный градиент на дневной стороне остается более крутым, чем 6K/км.
Уменьшенная энергия, переносимая на ночную сторону, приводит к снижению температуры ночной стороны. Вместе все эффекты позволяют в случае ограниченного количества воды достичь равновесия и с большими перепадами температуры на дневной и на темной стороне до 139 K, т. е. ночная сторона станет более холодной. Температура на освещенной стороне станет около 100 C а на темной ниже – 50 C. Благоприятная температура для жизни будет в зоне около терминатора.
Для разных моделей у авторов получились такие результаты:
Модель T ср. T max T min delta T % поверх. с T 0 -50 C
Aq34 259K 291K 236K 54K 32%
Aq34h 257K 297K 232K 66K 30%
Aq30 283K 301K 268K 33K 79%
Aq30h 282K 302K 264K 38K 75%
L34Qe3 279K 370K 248K 122K 24%
L34Qe4 247K 350K 205K 145K 24%
L25Qe4 295K 404K 254K 150K 16%
Доля возможной обитаемости (на основе температуры поверхности) в модели L25Qe4 наименьшая, чем у Aq34 и Aq30 , результаты L25Qe4 и Aq25 показывают, что могут существовать планеты с различным климатом поверхности и областями с умеренными температурами поверхности даже на внутреннем краю обитаемой зоны.
- 100 0 200
Распределение температуры для L25Qe4
Насколько такой климат будет стабилен? Моделирование показывает, что вода может скапливаться на темной стороне попадая в холодную ловушку. Но оставшаяся влага в дальнейшем задерживается в атмосфере над планетарным пограничным слоем, прежде всего на дневной стороне.
Также результат вымораживания значительно снижается для планет, расположенных ближе к звезде. Так в модели Aq30 экваториальная область темной стороны остается выше точки замерзания.
А как будет распределена влага в атмосфере. В большинстве моделей получается область терминатора с весьма засушливым климатом. Но влага может восполняться при испарении ледника с темной стороны. Ледяные щиты могут деформироваться под собственным весом, что приводит к течению льда по градиенту толщины льда. На синхронно вращающейся планете этот поток может толкать лед в сторону терминатора, где умеренный климат приведет к плавлению. Скорость потока зависит, среди прочего, от геометрии льда, планетарной гравитации и геотермального теплового потока. Как правило, ледяной поток будет медленнее на планете размером с Землю с более умеренными геотермальными малыми тепловыми потоками, но он все же мог обеспечить достаточно большой источник талой воды для создания влажного климата в районе терминатора. Например, в Гренландии и Антарктиде скорость потока и сброс в океан могут достигать скорости более 1 км/год. Но, если сделать консервативную оценку,
учитывая только более медленные скорости потока, наблюдаемые у края антарктических ледников (100 м/год) и при условии, что только неглубокий слой льда доходит до терминатора ( 10 м), это будет означать скорость переноса воды порядка 10 ^ (-2) кг / с.
Это на два порядка превышает скорость испарения вблизи терминатора в моделях Aq30 и Aq34
рис. d Скорость поверхностного испарения и осадки, достигающие поверхности ( желтые профили) (10^(-5) кг/м^2
В зависимости от точной скорости это может привести к образованию болотистых регионов, океанов или небольших озер и рек в регионах с топографическими понижениями.
Даже если скорость потока будет значительно ниже, а поверхностный сток с большой площади испарения будет значителен, сопротивление испарению почвы будет иметь тенденцию удерживать некоторую локальную влагу, которая может быть полезна для развития жизни в районе терминатора.
Конечно, не на всех планетах есть ледники на темной стороне. Наличие крупных ледяных отложений предполагает планету с обилием исходной воды, которая либо сохранялась в течение всего раннего периода интенсивного звездного излучения, либо попали на такую планету позже.
Итак общий вывод сделанный авторами: умеренный терминатор недостижим при моделировании аквапланет, покрытых океаном, но может легко появиться на планетах с ограниченным количеством воды.
На аквапланетах увеличение звездного потока приводит к уменьшению дневных и ночных температурных градиентов, так что планета имеет тенденцию к достижению однородного климата вплоть до того, что дневная сторона достигнет безудержного парникового состояния, никогда не проходя через обитаемость терминатора.
В то время как на планетах с ограниченным запасом воды могут быть большие температурные градиенты между освещенной и темной сторонами, без входа в парниковое состояние .
Также получается, что конфигурация планеты с ограниченным запасом воды может быть благоприятной с точки зрения долговременной стабильности климата, с меньшим риском захвата холодной воды на ночной стороне или утечки водяного пара.
В общем можно предположить, что жизнь могла возникнуть когда на планете еще было обилие воды и умеренная температура, что показывает модель, а потом, когда вода диссипировала, жизнь сосредоточилась в зоне около терминатора. Ну а если жизни нет, эта зона будет благоприятна, скажем для людей.
