Последние исследования Вашингтонского университета в США указывают на то, что многие экзопланеты, ранее считавшиеся «кандидатами на жизнь», даже если они расположены в обитаемой зоне своих звезд и имеют температуру поверхности, подходящую для существования жидкой воды, все равно с большой вероятностью окажутся совершенно непригодными для жизни, если они слишком засушливы.

Исследовательская группа обнаружила, что для каменистой планеты, похожей по размеру на Землю, чтобы поддерживать стабильную и пригодную для жизни поверхностную среду в течение длительного геологического времени, объем ее поверхностных вод должен достигать как минимум примерно 20–50% от общего объема земных океанов. Это означает, что большое количество так называемых «пустынных планет» — даже если их орбиты находятся в «самом правильном» положении — скорее всего, будут далеки от пригодности для поддержания жизни с точки зрения водных ресурсов.

На сегодняшний день астрономы подтвердили существование более 6000 экзопланет, и ожидается, что по всему Млечному Пути существуют миллиарды подобных объектов. Значительная ее часть попадает в обитаемую зону звезды, где температура теоретически позволяет существовать жидкой воде. Однако команда Вашингтонского университета подчеркивает, что оказаться «в нужном месте» — это лишь часть уравнения; планете по-прежнему необходим долгосрочный стабильный механизм регулирования климата, и это во многом зависит от того, как вода взаимодействует с литосферой и атмосферой.

Хаскелл Уайт-Джаннелла, первый автор статьи и аспирант в области наук о Земле и космосе, сказал, что при поиске жизни в огромной Вселенной и ограниченных ресурсах наблюдения мы должны научиться целенаправленно «отсеивать» некоторые планетарные цели. Это исследование сосредоточено на засушливых планетах с чрезвычайно низкими запасами поверхностных вод, намного меньшими, чем весь океан Земли, чтобы оценить, могут ли они действительно быть обитаемыми.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Planetary Science Journal. В основе лежит ключевой процесс планетарного геологического цикла углерода. На Земле этот водный цикл перемещает углерод между атмосферой и недрами планеты в течение миллионов лет, помогая регулировать глобальную температуру поверхности.

На Земле вулканы выбрасывают в атмосферу углекислый газ, который затем растворяется в дождевой воде. Дождевая вода вступает в химическую реакцию с поверхностными камнями, а реки переносят углеродистые материалы в океан, где они откладываются на морском дне. Наряду с тектоническими движениями плит богатая углеродом океанская кора погружалась под континенты, а во время таких процессов, как горообразование, углерод возвращался на поверхность в течение длительного периода времени.

Однако, если на планете не хватает воды для поддержания устойчивых и обширных осадков, этот «термостат» углеродного цикла выходит из строя. По мере ослабления осадков и выветривания эффективность «вытягивания» углекислого газа из атмосферы значительно снижается, в то время как вулканические выбросы продолжаются. В результате углекислый газ в атмосфере продолжает накапливаться, парниковый эффект усиливается, температура еще больше повышается, а оставшаяся вода испаряется с ускорением, образуя в конечном итоге порочный круг, который делает поверхность планеты слишком горячей и непригодной для жизни.

Уайт-Джаннелла отметил, что это означает, что даже сухие планеты земного типа, расположенные в обитаемой зоне, скорее всего, не являются идеальными целями для поиска жизни. Исследование также напоминает, что в предыдущих теоретических работах механизм углеродного цикла на засушливых планетах практически не подвергался систематическому изучению, что может вызвать у людей чрезмерный оптимизм в отношении обитаемого потенциала «пустынных экзопланет».

Поскольку прямое наблюдение за скалистыми экзопланетами по-прежнему чрезвычайно сложно, ученые часто полагаются на численное моделирование для изучения их долгосрочной эволюции климата и характеристик водного цикла. В этой работе исследовательская группа улучшила существующую модель углеродного цикла, переохарактеризовала ключевые процессы, такие как испарение и осадки, особенно для засушливых сред, и представила факторы, которые часто игнорировались в прошлом, такие как влияние полей ветра на распределение водяного пара и эффективность испарения.

Джошуа Криссансон-Тоттен, соавтор статьи и доцент кафедры наук о Земле и космосе Вашингтонского университета, сказал, что этот тип усовершенствованной модели углеродного цикла, основанной на «механизме», изначально использовался для понимания эволюции климата и регулирования температуры Земли в ее долгой геологической истории, а теперь распространяется на изучение экзопланет. Новые результаты показывают, что даже если засушливая планета имеет определенное количество поверхностной воды на ранних стадиях, она будет иметь высокую вероятность потери воды из-за дисбаланса углеродного цикла на более поздних стадиях, превращаясь из потенциально обитаемого мира в горячую и необитаемую «несбалансированную планету».

Исследователи также обратили внимание на близлежащий «естественный эксперимент»: Венеру. Венера по размеру похожа на Землю и образовалась примерно в то же время, а некоторые модели даже предполагают, что в первые дни на ней могло быть столько же воды, сколько на Земле. Однако сегодня температура поверхности Венеры сравнима с температурой дровяной печи для пиццы, а давление на поверхности настолько велико, что «кажется, будто на нее одновременно давят десять синих китов».

Научное сообщество уже давно спорит, почему Земля и Венера пошли такими разными эволюционными путями. Уайт-Джаннелла и Крисансон-Тоттен предположили, что Венера могла спровоцировать дисбаланс углеродного цикла и неконтролируемый парниковый процесс на раннем этапе, потому что она была ближе к Солнцу и имела немного меньшее начальное количество воды. Поскольку углекислый газ продолжает накапливаться в атмосфере, а температура постепенно повышается, большое количество воды в конечном итоге теряется, а жизнь, если она когда-то существовала, теряет среду обитания.

Ожидается, что в ближайшие годы несколько предстоящих миссий на Венеру ответят на эту «загадку родственной планеты» и проверят ключевые выводы упомянутой выше модели углеродного цикла. Уайт-Джаннелла считает, что, хотя для людей практически невозможно высадиться на поверхность какой-либо реальной экзопланеты в обозримом времени, Венера — «ближайший аналог экзопланет земного типа» — предоставляет уникальное окно.

Исследовательская группа ожидает, что данные этих миссий помогут проверить теоретическую основу дисбаланса углеродного цикла на засушливых планетах и ​​будут использоваться для интерпретации атмосферных характеристик и эволюционных состояний далеких экзопланет. Криссансон-Тоттен отметила, что это исследование имеет важные последствия для того, как мы оцениваем «реальный запас» потенциально обитаемых планет во Вселенной. Многие объекты, которые когда-то грубо классифицировались как «кандидаты на обитание», вероятно, будут переклассифицированы в соответствии с более строгими критериями содержания воды и углеродного цикла.