09.10.2025. - Показатель для оценки обитаемости экзопланет

Показатель для оценки обитаемости экзопланет

С открытием все большего числа экзопланет — в настоящее время их более 6000 — ученые, конечно, хотят знать, пригодны ли они для жизни. (По крайней мере, для жизни в том виде, в каком мы ее знаем). Но оценка пригодности для жизни - сложная задача, поскольку информация об экзопланете может быть скудной. Теперь новый показатель, разработанный исследователями из Англии, может помочь.

Обитаемая зона вокруг звезды - это область, где средняя глобальная температура поверхности планеты позволяет поддерживать жидкую воду на ее поверхности. "Зона златовласки" Солнца находится примерно в пределах от 0,95 а.е. (астрономических единиц) до 1,67 а.е.

Если бы Земля была всего на 7,5 миллионов километров ближе к Солнцу (на 5%), то сейчас она была бы непригодна для жизни, поскольку, как и на Венере, на ней выкипела вода. Это объясняется тем, что в настоящее время яркость солнца увеличивается примерно на 1% каждые 150 миллионов лет; со временем это значение увеличивалось и будет продолжать увеличиваться. Таким образом, и на Венере, и на более близкой Земле когда-то могла содержаться вода, но по мере увеличения яркости Солнца эта вода попадала в атмосферу, а затем в космос.

На Земле жизнь может существовать в средах обитания с широким спектром изменяющихся свойств: температура, давление, соленость, pH и даже воздействие радиации.

Жизнь была обнаружена на глубине десятков километров и более под поверхностью суши и океанского дна. Тихоходки могут выживать даже в вакууме и радиации космоса. Но, как правило, многоклеточная жизнь предпочитает умеренные температуры, от -20°C до 122°C. Только недавно ученые представили более сложные модели, использующие комбинации климатологических параметров для описания обитаемости поверхности Земли и тел, подобных Земле, во внесолнечной системе.

"Однако, - пишет экзопланетный климатолог Ханна Л. Вудворд (Hannah L. Woodward) из Лондонского университета и соавторы в журнале Planetary Science, - ни одно из этих определений еще не было подтверждено тем, как жизнь, по наблюдениям, распределена в пространстве по всей Земле".

Итак, ученые задались целью дать "более детальное" понимание того, что представляет собой обитаемость поверхности, используя глобальную климатическую модель и применяя ее к дистанционным наблюдениям за поверхностью Земли.

Они проанализировали различные климатологические переменные на предмет соответствия: температуру приземного воздуха, количество осадков, испарение, концентрацию морского льда, индекс засушливости и их комбинации, при этом два температурных диапазона представляют пределы для микробной жизни и сложной жизнедеятельности. (Сложная жизнь, подмножество микробной жизни, включает в себя животных, а также флору, такую как растения, грибы, водоросли и т.д.) Наличие жидкой воды учитывается с помощью потоков осадков и испарения, которые измеряются как объем в единицу времени.

Для исследования Земли они использовали глобальный ежемесячный повторный анализ данных ERA5. Повторный анализ - это объединение неполных данных наблюдений и результатов моделирования для создания полного набора климатологических переменных, который соответствует законам физики. Данные повторного анализа наблюдаются или вычисляются на (здесь) двумерной сетке поверхности со стороной в четверть градуса как для широты, так и для долготы.

Микроорганизмы могут существовать при температуре от -20°C до 122°C, а сложные организмы - при температуре от 0°C до 50°C. Более широкий диапазон для микробной жизни отражает то, что наблюдается на Земле, в то же время признавая, что планеты с различным поверхностным давлением могут содержать жидкую воду в температурном диапазоне, отличном от 0-100°C.

Наличие воды для жизни требует, чтобы количество осадков превышало испарение, а также чтобы количество осадков превышало 25 см за земной год, за исключением ограниченных случаев возникновения жизни. Если какое—либо из условий — температура или наличие воды - не выполняется, то обитаемость экзопланеты классифицируется как "ограниченная".

В частности, группа рассматривала жизнь, которая зависит от фотосинтеза, как показатель численности и распространения наземной жизни на Земле. Растения являются доминирующей формой жизни на Земле, на их долю приходится 80% мировой биомассы. Они создают пищу из неорганических веществ, а не потребляют других животных. (Поприветствуйте венерианскую мухоловку.)

Более того, большая часть фотосинтезирующих организмов использует пигмент, который создает уникальный спектр отражения, который системы дистанционного зондирования могут использовать для создания глобальной карты продуктивности фотосинтеза. Наконец, ученые предполагают, что везде, где может процветать фотосинтезирующая жизнь, может процветать и жизнь, потребляющая другие органические вещества (так называемая гетеротрофная жизнь).

Группа хотела сравнить показатели обитаемости поверхности, полученные в рамках их климатической модели, с наблюдаемой обитаемостью поверхности современной Земли, получаемой с помощью удаленных спутниковых данных.

Хорошее соглашение позволило бы астрономическим наблюдателям за экзопланетами, которые имеют доступ только к данным дистанционного зондирования, сделать некоторые разумные предположения о пригодности для жизни самой планеты. Модель рассчитала распределение обитаемости поверхности Земли, используя повторно проанализированные климатические переменные за 2003-2018 годы, и сравнила их с данными наблюдений.

Они рассмотрели несколько типов условий на поверхности, таких как тепло и влажно с точкой росы менее 25°C (которую они обозначили как W25), чрезмерно влажная среда и различные сочетания фракции морского льда и засушливости.

Они обнаружили, что одного показателя, определенного с использованием температуры приземного воздуха, индекса засушливости или концентрации морского льда, "недостаточно для определения наблюдаемых закономерностей обитаемости", - написали они.

Сочетание температуры поверхности и концентрации морского льда было лучше в более высоких широтах, "но неправильно обозначать районы с низкой широтой, в которых наблюдалась ограниченная обитаемость, как пригодные для жизни, что приводит к завышению доли обитаемости". Использование индекса засушливости дало лучшие результаты в более низких широтах, "но в целом продемонстрировало плохие навыки прогнозирования".

Но пригодность для жизни в мире W25, определяемая с помощью температуры поверхности, осадков и испарения, "наиболее точно соответствует наблюдаемым закономерностям как качественно, так и количественно", лучше, чем условия на поверхности, определяемые площадью, свободной ото льда, наличием воды и другими сочетаниями температуры и влажности.

Затем группа разработала свое собственное определение пригодности для жизни на поверхности, основанное на показателе, который включает температуру поверхности, количество осадков и испарение. В качественном и количественном отношении это наиболее точно соответствовало наблюдаемым моделям пригодности для жизни. Фактически, этот показатель показал наилучшие результаты, показав точность (доля правильных сеток) 0,67 и 0,70 (по шкале от 0 до 1) для микробиологической и сложной обитаемости соответственно, и особенно хорошо он показал себя на суше с соответствующими точностями 0,77 и 0,80 соответственно.

Они пришли к выводу, что их новая метрика "дает хорошее представление о наблюдаемой обитаемости поверхности современной Земли с зависимостью только от трех параметров, обычно выводимых GCMS [моделями общей циркуляции], которые тесно связаны с глобальной атмосферной циркуляцией и позволяют получить приближение первого порядка к обитаемости поверхности экзопланет".

Источник