Ziemia na krawędzi ekosfery - jak to możliwe, że powstało tu życie?

Ekosfera to strefa wokół gwiazdy, w której mogą zaistnieć warunki wystarczające do utrzymania wody w stanie ciekłym. Jakakolwiek planeta krążąca poza ekosferą doświadcza warunków nieodpowiednich dla utrzymania życia - zbyt blisko wysoka temperatura spowodowałaby nasycenie atmosfery parą wodną, a w dalszej kolejności utrata wodoru z atmosfery. Orbita planety poza zewnętrzną, "zimną" krawędzią ekosfery doprowadziłaby do zestalenia wody, zamieniając glob w lodową pustynię.

W przypadku naszego Słońca dotychczas wydawało się, że ekosfera rozciągała się przynajmniej od 0,95 do 1,37 lub nawet do 1,67 jednostki astronomicznej. Warto tu jednak dodać, że wiele zależy od składu atmosferycznego, który przykładowo może potęgować efekt cieplarniany i tym samym prowadzić do warunków odpowiednich do utrzymania życia. Niemniej jednak dotychczas wydawało się, że  nasza Ziemia leży bezpiecznie daleko od obu krawędzi ekosfery naszego Układu Słonecznego. Najnowsza publikacja naukowa zdaje się przeczyć temu "poczuciu bezpieczeństwa".

Naukowcy z amerykańskiego Penn State University, NASA oraz francuskiego uniwersytetu w  Bordeaux pod przewodnictwem Jamesa Kastinga twierdzą, że wewnętrzna krawędź ekosfery może leżeć bliżej orbity Ziemi, niż to wcześniej się wydawało. W pracy naukowej, która została niedawno opublikowana na łamach The Astrophysical Journal, zespół Kastinga przedstawia wyliczenia sugerujące zakres ekosfery pomiędzy 0,99 a 1,70 jednostki astronomicznej dla naszego Słońca. Wydaje się to być niewielka różnica, jednak dla Ziemi, której orbita zawiera się pomiędzy 0,983 do 1,017 jednostki astronomicznej, wynik może być bardziej "niepokojący".

Zespół naukowców w tej publikacji przedstawił nowy model ekosfery, który uwzględniał czynniki atmosferyczne, zredukowane do jednego wymiaru przestrzennego. Atmosfera została podzielona na 101 warstw, w których (tak jak na Ziemi) znajdowała się zmienna ilość pary wodnej. Większe nasycenie pary wodnej występowało w dolnych warstwach atmosfery, mniejsze - w jej górnych partiach. W składzie tej modelowej atmosfery zmienną było także stężenie dwutlenku węgla. Model zawierał także pewne uproszczenia, takie jak brak chmur z pary wodnej czy dwutlenku węgla, które wymagałyby bardziej złożonego (trójwymiarowego) modelu.

Opracowany model klimatyczny może sugerować, że atmosfera Ziemi jest znacznie bliżej możliwości wystąpienia efektu cieplarnianego związanego z nasyceniem parą wodną niż to się wcześniej wydawało. W tym scenariuszu atmosfera jest w całości nasycona parą wodną, co potęguje efekt cieplarniany (wyższa temperatura powierzchni naszej planety) a bliskość wewnętrznej krawędzi ekosfery powoduje wodoru. W konsekwencji, w długim okresie czasu (rzędu kilku miliardów lat) następowałaby utrata oceanów.

Naukowcy uważają, że średnia temperatura powierzchni Ziemi musiałaby osiągnąć wzrosnąć do 340 K (z obecnych 288 K), by mogło dojść do nasycenia parą wodną. Przy obecnych zmianach klimatycznych, związanych między innymi (choć nie tylko) z większą zawartością dwutlenku węgla w atmosferze, taka temperatura by została osiągnięta nie wcześniej niż w dwudziestym czwartym wieku. Warto tu jednak zauważyć, że w okresie kredowym temperatura była o około 10-15 K wyższa niż obecnie i wówczas nie doszło do pełnego nasycenia atmosfery parą wodną.

Jeden z naukowców z zespołu Kastinga, Ravi Kopparapu z Penn State University, uważa jednak, że  początek scenariusza nasycenia atmosfery parą wodną może się zacząć już za około dziewięćdziesiąt lat. Wówczas mogłoby dość do zniszczenia delikatnej warstwy ozonowej, zauważalnego topnienia lodowców przy biegunach Ziemi oraz początku procesu parowania oceanów. Jest to jednak pesymistyczny scenariusz (i prawdopodobnie jedynie osobista opinia), który opiera się na kilku założeniach i nie był częścią opisywanej w tym artykule pracy naukowej.

Warto tu jednak zauważyć, że ekosfera może mieć bardzo "płynne" granice. Jak autorzy tej publikacji sami zauważają, w modelu nie uwzględniono obecności chmur, które podwyższają albedo Ziemi. W opinii autorów tej publikacji wewnętrzna krawędź ekosfery znajduje się dalej od naszej planety niż uzyskane wyliczenia.

Praca tego zespołu naukowców może mieć duże znaczenie dla kwestii ekosfery dla planet pozasłonecznych. Przykładowo, planeta typu "super-Ziemia", na której panowałaby grawitacja około 3x większa od ziemskiej, miałaby swoją wewnętrzną granicę ekosfery w odległości 0,94 jednostki astronomicznej od gwiazdy o parametrach naszego Słońca. Z kolei planeta taka jak Mars oddalałaby wartość wewnętrznej krawędzi ekosfery do 1,035 jednostki astronomicznej. Co ciekawe, ta publikacja naukowa także sugeruje, że egzoplaneta Gliese 581d jednak leży wewnątrz ekosfery a super-Ziemia lub mini-Neptun HD 40307 g leży dokładnie pośrodku tej strefy.

Opisywana w tym artykule praca naukowa to jedna z wielu dotyczących ekosfery, jakie opublikowano w ostatnich latach. To zwiększone zainteresowanie jest z pewnością powiązane z odkryciami planet pozasłonecznych, których znamy już ponad 850.

Źródło informacji (TAJ)

Krzysztof Kanawka