Облака спасли потенциально обитаемые экзопланеты от перегрева

Обитаемая зона — условная область вокруг звезды, в которой на поверхности планеты может быть жидкая вода. Зона зависит от активности звезды, а также особенностей поверхности и климата планеты. Границы этого «пояса» обычно предполагают какие-то экстремальные климатические условия, при которых на поверхности планеты все же может сохраняться жидкая вода. Внешнюю границу обычно рассчитывают как зону, где планета с плотной атмосферой из углекислого газа будет все еще достаточно теплой, чтобы иметь жидкий океан, а внутреннюю — как зону, где отражательная способность водного пара в атмосфере способна предотвратить чрезмерный перегрев экзопланеты и закипание ее океанов.

К сожалению, наши возможности по наблюдению за экзопланетами сильно зависят от расстояния тела до его звезды: чем ближе, тем сложнее различить параметры потенциально обитаемого мира. Еще сложнее «расшифровать» эти наблюдения, потому что такие планеты очень разнообразны, не все они — аналоги Венеры и Земли.

Чтобы подготовиться к анализу данных от современных обсерваторий и будущих телескопов нового поколения, ученые моделируют эти потенциально обитаемые планеты. Авторы нового исследования сфокусировали внимание на тех телах, которые находятся вблизи внутренней границы обитаемой зоны.

Прошлые исследования показали, что при наличии океана атмосфера на таких планетах становится насыщенной водяным паром, за счет которого и развивается «влажный парниковый эффект». В долгосрочной перспективе эти планеты не способны поддерживать обитаемые условия, и все же они достаточно стабильны, чтобы на поверхности долго сохранялась жидкая вода.

Считалось, что после насыщения атмосферы водой неизбежно происходит взрывной парниковый эффект. В этом сценарии водяной пар достигает стратосферы (на Земле практически сухой), где попадает под действие ультрафиолетового излучения. От этого молекулы Н2О распадаются на кислород и водород, причем последний быстро покидает планету. Это, по мнению ученых, приводит к потере ею жидкой воды и быстрой утрате жизнепригодности. Но расчеты с помощью трехмерных климатических моделей показали, что этот пар, наоборот, может защитить планету от подобного развития событий.

Проблема в том, что отражающая способность облаков — непростой процесс, зависящий от множества факторов, притом что точность таких расчетов может кардинально изменить результаты и выводы. В стремлении повысить точность расчетов, авторы нового исследования дополнили одномерную модель, описывающую отражающую способность облаков, более сложной микрофизикой их внутреннего устройства. Работа выложена на сайте препринтов arXiv.

С помощью новой модели исследователи смогли впервые точно рассчитать внутреннюю границу обитаемой зоны для звезд главной последовательности, учитывая физику облаков. Оказалось, граница больше всего зависит от четырех параметров: излучения звезды, радиуса планеты, плотности облаков и осадков.

Так, при достаточной облачности внутренняя граница обитаемой зоны для систем вроде Солнце — Земля сдвигается с орбиты Земли до орбиты между Меркурием и Венерой. А то и еще ближе к звезде, если «подкрутить» параметры облаков и осадков. Получается, обитаемые планеты вроде Земли могут быть в 3,3 раза ближе к звезде, а суперземли — в 4,7 раза ближе, чем считали ранее.

Исследователи продолжат совершенствовать модели, пока телескопы вроде «Джеймса Уэбба» собирают данные наблюдений. Напомним, недавно другая группа ученых доказала, что мощности этого космического телескопа достаточно для поиска инопланетных морей на некоторых экзопланетах. Причем для обнаружения жидкой воды требуется гораздо меньше наблюдений, чем заявляли исследователи.