Что происходит с климатом и атмосферой планет, которые под действием гравитации своей звезды, всегда повернуты к ней только одной стороной. Может ли неподвижная планета быть обитаемой?
Опубликовано: 14/11/2020
(Обновлено: 15/11/2020)

В нашей планетной системе, все планеты вращаются вокруг своей оси, хотя некоторые, как, например, Меркурий, и делают это очень медленно. Однако вполне возможны случаи, когда вращение планеты или другого небесного тела вокруг оси прекращается из-за гравитационного воздействия другого объекта, сумевшего “остановить” своего партнера.

Что будет если планета всегда повернута к звезде одним полушарием?

Такие объекты называют tidally-locked planets (планеты, удерживаемые приливными силами). Хорошим примером TLP может послужить наша Луна. А что, если нам встретится экзопланета, в точности похожая на Землю, но “неподвижная”, т.е. не вращающаяся вокруг оси? Могут ли условия на такой экзопланете быть в полной мере похожими на земные, иначе говоря – возможна ли на ней жизнь? Попробуем ответить на этот вопрос с помощью расчетов.

Первое и самое главное: планеты, “застывшие” на своих орбитах без вращения вокруг оси, должны иметь ярко выраженную разницу климата на двух сторонах.

Наличие атмосферы может сгладить это различие за счет циркуляции теплого воздуха между нагреваемой звездой и темной, холодной стороной. Тем не менее, застывшие планеты скорее всего отличаются слишком сильными вариациями климата для существования жизни.

Явление застывания планеты зависит от масс ее и звезды, а также от расстояния между ними. В случае звезд спектрального класса М, которые немного меньше Солнца, зона приливной остановки пересекается с зоной обитания.

Что будет если планета всегда повернута к звезде одним полушарием?

Луна всегда повернута к Земле одной стороной, если представить на её месте экзопланету, а на месте Земли – звезду, то получится неплохая иллюстрация к этой статье. Космос развивает воображение!

На “обычной” планете, вроде нашей Земли, если камни и различные минералы находятся под открытым небом, они неизбежно реагируют с газами атмосферы. По мере эрозии камней все новые его слои вступают во взаимодействие, что со временем изменяет состав атмосферы. Если эрозия камней находится в равновесии с другими процессами, например, поступлением новых газов во время извержений вулканов, то климат остается стабильным.

На застывшей планете одна сторона постоянно обращена к звезде. И эта подзвездная половина постоянно получает тепло, образуя то, что называется  подзвездной климатической нестабильностью (substellar weathering instability). Увеличение температуры одной стороны планеты по сравнению с вращающимся небесным телом приводит к ускорению испарения воды (если она на планете есть, но, мы же говорим о планетах в зоне обитания). Это, в свою очередь, вызывает более обильные дожди.

«Чем больше дождя, тем больше эрозии», – говорит один из авторов этой теории Эдвин Кит из Университета Калифорнии в Беркли.



Усиление дождей приводит к ускоренной эрозии материала поверхности планеты, в результате они активнее взаимодействуют с атмосферой и «высасывают» из нее газы. При классической смене дня и ночи, этот процесс существенно замедляется – меньше дождей, меньше эрозии и как следствие: меньше “свежих” минералов на поверхности, которые может реагировать с газами.

На Земле извержения вулканов выбрасывают в атмосферу парниковые газы, которые постепенно поглощаются поверхностью планеты. Но в случае нарушения этого равновесия парниковые газы могут начать скапливаться на “теплой” стороне, и процесс их накопления в атмосфере, фактически, ничто не будет регулировать из-за постоянного нагрева. В то же время, на Земле диоксид углерода, скапливающийся в атмосфере, реагирует с силикатом кальция, результатом реакции являются карбонат кальция и диоксид кремния. Это позволяет удалять из атмосферы углекислый газ, сдерживая парниковый эффект.

Выветривание регулирует климат нашей планеты на больших временных интервалах и позволяет избежать слишком высоких или низких температур. Отсутствие или нарушение этих процессов может лишить планету возможности поддержания жизни, даже если все прочие условия на ней будут потенциально идеальными для жизни.

Нечто подобное случилось с Венерой в нашей солнечной системе: слишком плотный облачный покров на этой планете привел к повышению температуры поверхности, в результате чего вся вода испарилась.

Для эволюции желателен стабильный климат, или хотя бы медленно меняющийся. На Земле жизнь достигла настоящего уровня сложности отнюдь не быстро, и все это время условия были благоприятны для жизни.

Если бы у планеты не было атмосферы, то «неподвижная» планета представляла бы собой пекло с одной и ледяную пустыню с другой стороны

Если бы у планеты не было атмосферы, то «неподвижная» планета представляла бы собой пекло с одной и ледяную пустыню с другой стороны. Для планеты типа Земли, разница не будет настолько фатальной за счет перераспределения воздушных масс, однако все равно тут будет ощутимо жарче и холоднее, чем днем и ночью на Земле

Насколько возможно на практике встретить потенциально обитаемые планеты не вращающиеся вокруг оси

Заканчивая разговор о планетах удерживаемых приливными силами, попробуем разобраться с тем, насколько вообще вероятна возможность их появления при поиске подобных Земле экзопланет.

Для звезд спектрального класса М можно ожидать большого количества “остановившихся” планет в зонах обитания. Тем не менее, планета может избежать катастрофических колебаний климата, даже если она все время обращена к звезде одной стороной.

А первую очередь, ближайший к солнцу регион должен находится под водой. Очевидно, для выветривания нужна твердая поверхность, богатая минералами.

Затем, даже если звезда нагревает твердую поверхность, это может иметь терпимые последствия. Если газ, поглощаемый в процессе выветривания, не превалирует в атмосфере, то уменьшение его концентрации или даже полное исчезновение может быть незаметно. К примеру, в случае Земли, в процессе выветривания поглощается углекислый газ, но основу атмосферы составляет азот.

А что если посмотреть на проблему шире и задаться вопросом, не могут ли подобные результаты, пусть в облегченном виде, касаться не только остановившихся планет, но и планет с сильными суточными колебаниями температур? По мнению Кита, этот процесс может объяснить отсутствие атмосферы у Марса. Имея очень сильные колебания температур между днем и ночью, красная планета могла быть подвержена активному выветриванию, внесшему свой вклад в исчезновение атмосферы.

Тем не менее, в отношении Марса это лишь предположение, а в отношении остановившихся планет нельзя с уверенностью сказать, что у них есть проблемы с колебаниями климата. Так что только наблюдения могут дать ответ о потенциальной обитаемости планеты.