Развитие климата на планетах земной группы

Планеты с умеренным климатом, напоминающим земной, когда-то считались редкостью в нашей Галактике. Современные математические модели наводят на мысль, что если за пределами Солнечной системы существуют планеты, то многие из них могут быть обитаемыми

Рис. 3.1. ВЕНЕРА, ЗЕМЛЯ И МАРС (слева направо; пропорции соблюдены) на ранних этапах своей истории могли иметь достаточно умеренный климат, чтобы на их поверхности в течение долгого времени существовала «жизнетворная» вода в жидком состоянии.

 

Численные модели, в том числе и разработанные авторами, показывают, что особенности обмена углекислым газом между атмосферой и сушей — а не только расстояние от планеты до Солнца — объясняют, почему Венера лишилась своей воды, Марс замерз, а Земля осталась пригодной для жизни.

Почему на Марсе слишком холодно, чтобы там существовала жизнь, на Венере слишком жарко, а на Земле в самый раз? На первый взгляд ответ на этот вопрос может показаться простым. Здравый смысл подсказывает, что Земля с ее пригодной для жизни средней температурой +15 °С образовалась на подходящем расстоянии от Солнца, а Марс (—60 °С) и Венера (+460 °С) — нет; в результате только на поверхности Земли есть необходимая для жизни вода в жидком состоянии.

Однако особенности происхождения «земных», или «каменных», планет не объясняют полностью их климата. Мы предполагаем, что три «соседки», образовавшиеся при столкновении множества тел, так называемых планетезималей, были когда-то во многих отношениях похожи. Они состояли из одинаковых пород, имели атмосферы с примерно одинаковым газовым составом (содержащие углекислый газ и водяной пар) и были достаточно массивными, чтобы удерживать воду на большей части своей поверхности. Принципиально различный климат возник на них в основном из-за различий в круговороте диоксида углерода, или углекислого газа (СО₂),— обмене им между корой планеты и атмосферой. Углекислый газ, подобно водяному пару и некоторым другим компонентам атмосферы, является «парниковым» газом: он пропускает солнечный свет, но поглощает инфракрасное излучение (тепло) планеты и переизлучает часть этого тепла назад к ее поверхности.

Более детальные расчеты показывают, что умеренный климат, всегда существовавший на Земле, в первую очередь обязан своим происхождением особенностям механизма газообмена на нашей планете: когда поверхность планеты остывает, количество углекислого газа в атмосфере увеличивается, когда же температура поверхности растет, его количество уменьшается. Марс сейчас «заморожен», поскольку он потерял способность возвращать газ в атмосферу, а на Венере — пекло, поскольку там, наоборот, отсутствует механизм выведения углекислого газа из атмосферы. (Меркурий, еще одна планета земной группы, не имеет атмосферы; температура его поверхности полностью зависит от излучения Солнца.)

Парадокс тусклого молодого Солнца. Наш интерес к роли углекислого газа в эволюции климата Земли, Марса и Венеры уходит своими корнями в одну космологическую загадку, относящуюся к происхождению Земли и называемую парадоксом тусклого молодого Солнца. Фактически любая модель звезды показывает, что во время образования Солнечной системы (около 4,6 млрд. лет назад) излучение Солнца было на 25—30% слабее, чем сейчас. Однако затем светимость Солнца (интенсивность его излучения) стала примерно линейно увеличиваться со временем.

Парадокс возникает, как установили в 1970-е гг. К. Саган и Дж. Муллен из Корнеллского университета, в силу того, что, если первичная атмосфера Земли была такой же, как и сейчас, Земля, «обогреваемая» слабым излучением Солнца, должна была находиться в «замороженном» состоянии до 2 млрд. лет назад. Однако на самом деле планета не была обледенелой. Данные, полученные при изучении осадочных пород, показывают, что 3,8 млрд. лет назад — в эпоху, которой датируются древнейшие геологические данные,— на Земле уже были океаны. Кроме того, существование на Земле в течение последних 3,5 млрд лет жизни доказывает, что земная поверхность никогда не замерзала целиком. (Вода может находиться в жидком состоянии при температуре от 0 до 374 °С; в современной атмосфере вода кипит и испаряется на уровне моря при 100 °С, но она может оставаться жидкой и при более высокой температуре, если атмосферное давление достаточно велико.)

Саган и Муллен поняли, что парадокс исчезает, если предположить, что земная атмосфера со временем изменялась. Например, если бы на юной планете облаков было меньше, чем сейчас, то меньше солнечного света, падающего на Землю, отражалось бы назад в космос и планета была бы относительно теплее. (Сейчас 30 % солнечного света, падающего на верхнюю границу атмосферы, возвращается в космос, причем главным образом из-за отражения от облаков.)

 

Рис. 3.2. РАСЧЕТЫ по моделям климата показывают, что Земля, с такой же атмосферой, как сейчас, могла бы замерзнуть в начале своей истории.

 

Причиной является то, что в прошлом светимость Солнца была почти на 30 % меньше (цветная кривая). Верхняя черная кривая показывает температуру поверхности, рассчитанную с помощью «одномерной» (с глобальным осреднением) климатической модели в предположении постоянной концентрации СО₂. (Многие из расчетов, обсуждаемых в тексте, также базируются на одномерных моделях.) Нижняя черная кривая показывает температуру поверхности Земли, лишенной атмосферы. Темная область между кривыми представляет величину парникового эффекта. На самом деле содержание СО₂ в прошлом, возможно, было больше, а температура поверхности Земли выше, чем показано здесь. Кривая светимости Солнца основана на расчетах Д. Гофа из Кембриджского университета.

 

Более вероятное объяснение изменения климата состоит в том, что в отдаленном прошлом был значительнее парниковый эффект. Саган и Муллен предположили, что аммиак (NН₃) — эффективный поглотитель инфракрасного излучения — мог бы создать более теплый климат на Земле, если бы на его долю приходилось 100 молекул из каждого миллиона молекул атмосферных газов. Последующие исследования показали, однако, что под действием солнечного света аммиак быстро превращается в газы, не создающие парниковый эффект — азот и водород, поэтому, чтобы выполнять роль «хранителя» теплого климата, аммиак должен был бы постоянно выделяться из Земли в атмосферу.

Другие исследователи сосредоточили свое внимание на углекислом газе, который не так легко разрушается солнечным светом. Углекислого газа на Земле в избытке: его запасов, сосредоточенных в карбонатных осадочных породах, достаточно для создания атмосферного давления в 60 бар: (В современной атмосфере углекислый газ создает давление 0,0003 бар.) Если бы в первоначальной атмосфере Земли присутствовало количество углекислого газа, соответствующее давлению хотя бы в несколько десятых долей бара, создаваемый им дополнительный парниковый нагрев мог бы компенсировать нехватку солнечного тепла. Пройти профессиональное  обучение яхтингу или получить все необходимые навыки управления яхтой, вы сможете на сайте gosailing.ru. На данном ресурсе вы сможете просмотреть полный прайс-лист на услуги агентства GOSAILING.Ru, а также прочитать отзывы выпускников прошедших обучение.

Предположение о том, что повышенный уровень содержания СО₂ мог бы предохранить раннюю Землю от замерзания, вскоре привел к следующей идее: снижение содержания СO₂ со скоростью, в точности компенсирующей возрастание светимости Солнца, объяснило бы тот факт, что температура на Земле менялась незначительно. Расчет такой компенсирующей скорости был выполнен М. Хартом из НАСА.

Харт смог получить решение задачи, в котором содержание газа убывает со временем по логарифмическому закону. Однако самый интересный «результат» состоял в том, что лишь немногие из этих расчетов приводили к цели. Другими словами, если состав модельной атмосферы в какой-нибудь момент времени начинал меняться со скоростью, отличной от точного решения, то планета становилась непригодной для жизни: если содержание СО₂ убывало слишком медленно, Земля превращалась в пекло, если слишком быстро — океаны замерзали.

Харт выполнил аналогичные расчеты для иных, чем действительное, расстояний между Землей и Солнцем. Он нашел, что если бы Земля образовалась на 5 % а. е. (астрономической единицы) ближе к Солнцу, то атмосфера стала бы настолько горячей, что океаны испарились бы (такой процесс известен как разгоняющийся парниковый эффект). Напротив, если бы планета сформировалась всего на 1 % а. е. дальше от Солнца, она попала бы в условия разгоняющегося оледенения. Только находясь в относительно узком поясе орбит — между 0,95 и 1,01 а. е., — Земля может избежать и той и другой климатической катастрофы (1 астрономическая единица равна среднему расстоянию между Солнцем и Землей — 149,6 млн км). Харт назвал эту узкую полосу орбит «непрерывно обитаемой зоной» (НОЗ).

Выводы Харта внушали беспокойство: согласно этим выводам, Земля должна была получить исключительные преимущества, чтобы избежать судьбы Марса или Венеры. Лишь в последние несколько лет обнаружилось слабое место в предположениях Харта. Математическая модель, разработанная Дж. Уолкером и П. Хэйсом из Мичиганского университета и одним из авторов (Кастингом), показала, что благоприятное для земной жизни изменение концентрации углекислого газа не имело характера счастливой случайности. Скорее всего, содержание СО₂ изменяется в ответ на изменения температуры поверхности Земли: когда температура растет, содержание СО₂ в атмосфере уменьшается, что приводит к охлаждению поверхности, и наоборот, когда поверхность охлаждается, количество атмосферного СО₂ возрастает, что приводит к потеплению. Наличие такой отрицательной обратной связи означает, что Земля, возможно, никогда не подвергалась опасности разгоняющегося потепления или оледенения, постулированных Хартом.

Рис. 3.3. ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ обязан своим существованием некоторым газам (преимущественно углекислому) и водяному пару. Такие компоненты атмосферы пропускают солнечную радиацию к поверхности планеты, но захватывают инфракрасное (тепловое) излучение планеты и переизлучают значительную часть этой энергии назад к поверхности, что приводит к ее нагреву. На Земле температура у поверхности благодаря парниковому эффекту примерно на 35 °С выше той, которая была бы в отсутствие этих газов.