Мир под тёмным светилом: разбираем хоррор. Часть 1

В предыдущей публикации я писал о коричневых карликах, которые недавно обнаружили по соседству с Солнцем. Это compact-объекты размером примерно с Юпитер: раскалённые, но в видимом диапазоне почти не излучающие. В комментариях завязалось любопытное обсуждение: какой могла бы быть жизнь на экзопланете, обращающейся вокруг такой «несостоявшейся звезды». Тепло там есть, приливные силы есть, вулканы, вероятно, тоже. А вот света практически нет. Несколько недель я размышлял над этим, изучал первоисточники, делал расчёты и копил идеи. Мне хотелось оформить всё в виде статьи, но подходящая подача никак не находилась. И вдруг меня осенило.

Допустим, мне позвонил режиссёр и предложил стать научным консультантом фильма. Он рассказал, что снимает фантастический триллер-ужастик с рабочим названием «Инфра, царство мрака». Сюжет — о первой межзвёздной пилотируемой экспедиции, высадившейся на экзопланете. Будут аварии, трагические гибели, героические поступки, ураган, нападения местных хищников из темноты, лучи фонарей, выхватывающие из мрака отдельные детали, и пешие переходы через тамошние джунгли почти вслепую. Сценарий готов, художник уже набросал концепты. Не хватает консультанта, который всё это просмотрит и подскажет, нет ли где-нибудь откровенных нелепостей. Чёрный рогатый тигр, какие-то летучие мыши, живой лабиринт из растений вроде кактусов, ночной пейзаж с чёрно-красным диском в небе — не станут ли они поводом для насмешек зрителей и критиков? Поможешь?

Разумеется, помогу. Попробуем выстроить правдоподобную среду, флору и фауну такой планеты, не забывая и о зрелищности. Чувствую, придётся балансировать между реализмом и кинематографическими условностями и выслушивать режиссёрские рассуждения об «особом языке экрана». Материал получился объёмным, поэтому я разделил его на две части.

Начнём со светила, то есть с коричневого карлика. Для достоверности возьмём реальную двойную систему по соседству с Солнцем — Luhman 16, компоненты A и B. Что известно о 16A: по размеру он примерно равен Юпитеру, а по массе превосходит его в тридцать пять раз. Внешне это тлеющий раскалённый уголёк, затянутый чёрной облачностью — хаотичной и вихревой, как на Земле, а не полосатой, как на Юпитере. Температура — 1300 K. Тепла он отдаёт в 45 000 раз меньше Солнца, причём почти всё излучение приходится на невидимый глазу инфракрасный диапазон. Это существенно: если нам нужна обитаемая планета, её следует поместить в «зону обитаемости», где равновесная температура допускает существование жидкой воды.

Малоизвестный факт: равновесная температура Земли при альбедо 0.3 лежит ниже точки замерзания воды, и лишь благодаря парниковому эффекту у поверхности устанавливается +15 °C, а не −18 °C. Сразу отвечу на очевидный вопрос — работает ли парниковый эффект в инфракрасном диапазоне. Да, но слабее, поскольку в этом случае нагревается преимущественно атмосфера, а не поверхность. У Солнца основная доля энергии приходится на видимый спектр, около 0.5 мкм, а у 16A максимум лежит на 2.2 мкм — это ближний ИК. Грубые оценки показывают, что парниковый эффект составит примерно треть от земного. Но это не значит, что планета окажется на 70% холоднее. Альбедо в красной области ниже, а воздух хорошо поглощает тепло. Итоговый климат при том же потоке энергии может оказаться не холоднее земного, просто более изотермичным: контраст между сушей и воздухом меньше, конвекция слабее.

Выбор орбиты для Инфры зависит и от её размеров. Нужно не оказаться за пределом Роша: слишком крупную и тяжёлую планету вблизи массивного карлика приливные силы начнут разрывать. Оценим предел Роша для 16A — он определяется прочностью сцепления пород.

Планету, конечно, следует держать подальше от этой границы, с запасом. Вблизи неё приливы становятся чудовищными и сминают литосферу, как пластилин. Отсюда магматические разливы, извержения и землетрясения; вулканы выбрасывают минералы и прогревают почву. Для биосферы это благо, но важен баланс. Поместишь планету слишком близко — кора расплавится, и континенты превратятся в огненный океан. Слишком далеко — воцарятся тишина и холод. При этом сила приливов убывает обратно пропорционально кубу расстояния.

Если допустить в атмосфере парниковые газы — углекислоту и метан, — планету можно отодвинуть от карлика даже на миллион километров, почти к границе зоны обитаемости. Но и там приливы окажутся в 52 тысячи раз сильнее земных. Для сравнения: на Ио, спутнике Юпитера, геологически активном и усеянном действующими вулканами, приливы слабее всего в 9 раз. Столь мощный прилив давно затормозил бы вращение Инфры, так что сейчас она должна быть обращена к своему красно-чёрному светилу одной стороной. Горб из прогнувшейся мантии и океана перестал перекатываться по планете и навсегда застыл в одном положении.

Однако для жизни нам необходим приливный нагрев, и обеспечить его может небольшая вытянутость орбиты Инфры. Даже отклонение от круговой орбиты в одну тысячную при таких колоссальных приливах создаст живую литосферу: будут и вулканы, и землетрясения, причём немалые. Саму вытянутость легко объяснить гравитацией более холодного компаньона, 16B, который мы пока не задействовали. С расстояния в 350–710 млн километров он периодически «подталкивает» Инфру. Сам он почти незаметен: тусклый бордово-чёрный диск размером с Юпитер на земном небе.

Представляю, как рассердится режиссёр, когда я сообщу, что по строгой науке на Инфре не бывает ни восходов, ни закатов, что багровое светило навсегда застыло в одной точке неба, подобно Земле в небе Луны, что ночная сторона планеты покрыта вечными льдами, а пригодна для жизни лишь прогретая дневная. «Дружище, — скажет режиссёр, — по сюжету астронавты должны выживать и спасать друг друга в ночной тьме, граница сумрака и ночи обязана ползти, поднимая ураганный предрассветный ветер, а мрак вокруг корабля — рассеиваться с восходом. Это художественно, понимаешь? А что предлагаешь ты?»

Ладно, пусть будет частичный приливный захват: период вращения вокруг оси («сутки») почти равен периоду обращения вокруг карлика («году»). Какой сделать длительность суток? Десять земных? Исключено: это горб высотой в километры, невиданные землетрясения, сильнейший разогрев недр и тотальный вулканизм. Скорее ад протопланеты вроде древней Земли, а вращение затормозится за считаные миллионы лет. Тридцать суток? Две недели сумрака и две недели тьмы? Циклы сжатия коры станут реже, но приливная тектоника останется эпической и несовместимой с жизнью. Двести суток? Это уже ближе к правде. Приливная волна обходит планету за сезон, береговая линия постоянно смещается, заливы неделями наполняются и мелеют. Неторопливый литосферный прилив лишь греет кору, а не плавит её. Два приливных горба, приходящиеся на «полдень» и «полночь» и слегка отстающие из-за трения, ползут со скоростью улитки. Вот, скажу я режиссёру, в нагрузку к твоему рассвету получай ещё и сезонные землетрясения!

Не забываем, что картина «сто дней ночи и сто дней сумрака» характерна только для экватора и только при малом наклоне оси Инфры. В умеренных широтах смена дня и ночи сохранится, но карлик не будет подниматься до зенита, и день окажется прохладнее. В полярных областях чёрно-бордовый диск вообще будет висеть на горизонте круглый год и почти не греть, даруя полюсам вечный умеренный мороз и полярные шапки. Режиссёру стоит сказать: для яркой смены дня и ночи и резкого перепада температур экваториальная зона Инфры — самое подходящее место действия.

Теперь оценим динамику температур и климатические процессы на экваторе при нулевом, для простоты, наклоне оси. Погода важна, ведь она влияет на детали сцен и экипировку героев. Для серьёзной научной работы потребовалась бы трёхмерная климатическая модель, но особая точность нам ни к чему, поэтому достаточно свести тепловой баланс. Итак, у нас есть поток тепла от светила, падающий на поверхность по закону косинуса; уходящее в космос излучение по закону Стефана — Больцмана; парниковая поправка; геотермальный поток (я взял его таким же, как у Ио, — два ватта на квадратный метр); перенос тепла атмосферой с дневной стороны на ночную. Кроме того, нужно учесть тепловую инерцию суши. Теплопроводность сухого грунта означает, что глубина прогрева пропорциональна корню из времени: за земную ночь остывают верхние десятки сантиметров, а за сто суток ночи промерзнет уже около трёх метров.

Прямо перед рассветом, на сто девяносто пятые сутки после предыдущего восхода, температура должна опускаться примерно до минус девяноста: иней, снег из остаточной влаги, воздух чуть теплее вымерзшей земли. Сам восход на экваторе длится пять суток — столько времени 16A целиком выбирается из-за горизонта. К десятым суткам карлик всё ещё низко, и воздух прогревается до минус пятидесяти пяти: ужасающий холод сменяется просто ужасным, арктическим. К двадцать пятым суткам температура приближается к нулю: слякоть, туманы, резкий ветер у кромки таяния. На пятидесятые сутки, в астрономический полдень, светило стоит в зените, и жарко — около плюс тридцати двух, хотя почва ещё не прогрелась до максимума. Пик жары придётся примерно на семидесятые сутки: плюс тридцать восемь — сорок градусов, словно послеполуденный зной на Земле, только растянутый на недели. Затем температура пойдёт вниз: за десять дней до заката будет около плюс восемнадцати, а на закате, на сотые сутки, около нуля. К местной полуночи, на сто пятидесятые сутки, всё остынет до минус семидесяти восьми. А к предрассветным дням вновь опустится до минус девяноста.

У побережья стужа и зной окажутся мягче — вспомним разницу между Мурманском и Оймяконом. Вулканы же создают тепловые оазисы посреди вымороженного континента. Это, разумеется, прикидка: сколько-нибудь точную погоду даст лишь полноценная GCM — послойная климатическая модель с облаками и ветрами.

Кстати, об облаках. Ночью небо должно быть ясным и звёздным, поскольку вся влага осела на поверхности. А вот на восходе обязательно появится туман — низкий, густой, для кино просто идеальный. Утренние дни, пока ещё холодно, — самый облачный сезон: фронт у кромки таяния, туман, низкая слоистая облачность. Но уже к полудню, на пятидесятые сутки, наступят ясные дни. Конвекция на Инфре слабее земной, а атмосферные ячейки огромны. В отдельные дни перед жарким сезоном может моросить. На пике жары будет ясно, как в Сахаре. Водяной пар хорошо поглощает ближний ИК, поэтому облачный слой может оказаться теплее и устойчивее земных кучевых облаков. Что до общей картины неба, скажу я художнику, то облака должны выглядеть серо-красно-чёрными силуэтами на фоне огромного бордового диска, в 16 раз превосходящего Солнце на дневном небе. И утром этот диск будет карабкаться вверх сквозь слоистую кашу.

А ветер? У полосы восхода он должен быть сильнее обычного, но не обязательно ураганным. Восходящее светило начинает прогревать почву, тогда как на сотни километров вокруг она ещё выморожена. В результате возникает резкий атмосферный фронт, а значит, неизбежно усиление ветра, поднятая пыль и турбулентность — нечто вроде утреннего бриза, усиленного многократно. При столь медленном вращении Инфры сила Кориолиса окажется в сотню раз слабее земной, и ветры будут меньше закручиваться в циклоны. Для кино это удобно: достаточно обозначить «устойчивый предрассветный ветер».

Отдельный вопрос — размер самой Инфры, от которого зависит сила тяжести. Тут в игру вступают особенности кинопроизводства. Если гравитация будет вроде лунной, в шесть раз слабее земной, движения актёров придётся замедлять, а прыжки станут выше и длиннее. Первые пять минут это будет выглядеть забавно, потом начнёт утомлять. Кроме того, снимать такое трудно и дорого. Если же гравитация окажется большой, скажем тройной, возникнет проблема с неснимаемой нагрузкой на организм. Понадобятся водные ванны для сна и экзоскелеты для ходьбы. Это тоже удорожит съёмки и сделает многие драматические сцены трудновыполнимыми. Я бы предложил сделать Инфру меньше Земли процентов на 15. Разница в движениях пока незаметна, ходить и таскать оборудование нетрудно. Не забываем и про вес скафандров!

Кстати, о скафандрах: какая на Инфре атмосфера? Делать её копией земной не хотелось бы — это будет выглядеть наивно. Но в сценарии прописаны флора и фауна, стремительные существа, возможно, теплокровные. И у меня серьёзные сомнения, что можно совсем обойтись без кислорода. Эта тема обсуждалась неоднократно, и общий консенсус таков: для привычной нам жизни необходим кислородный метаболизм. Вряд ли зрителю будет интересно любоваться плесенью и грибками. А без кислорода хищника с быстрыми рефлексами не вырастить.

Для метаболизма, между прочим, важен не столько процент кислорода, сколько его парциальное давление. На уровне моря на Земле оно составляет около 21 кПа (21% кислорода при одной атмосфере). По оценкам исследователей, для крупной подвижной жизни с кровообращением требуется минимум 10 кПа; при меньших значениях можно рассчитывать на губок и мелких червячков, но не на тигра в джунглях. Для сцен погони теплокровных хищников за астронавтами давление ниже 15 кПа выглядело бы неправдоподобно.

А вот откуда взять кислород на Инфре — задачка со звёздочкой. Чтобы расщепить молекулу воды и высвободить кислород, известному нам фотосинтезу нужно четыре фотона, каждый с энергией 1.8 эВ. Фотон зелёного света (0.5 мкм) несёт 2.5 эВ, глубокого красного (0.7 мкм) — 1.8 эВ. А ИК-фотон в 2.2 мкм — всего 0.6 эВ, втрое меньше необходимого. Наши классические «зелёные лёгкие планеты» в ИК кислород производить не могут. Представляю лицо режиссёра, услышавшего: «На Инфре не может быть ни кислорода, ни чего-то крупнее дрожжей». «Я плачу тебе деньги, — заявит он, — так придумай что-нибудь!»

Вариант первый: кислород небиологического происхождения, образовавшийся во время вспышек на карлике путём обычного фотолиза воды под действием ультрафиолета. Но, во-первых, 16A уже достаточно стар, и вспышек у него почти нет: они скорее признак бурной молодости. Да, и для белковой жизни вспышки крайне вредны. Впрочем, жизнь могла зародиться позже, на уже накопленном кислороде. В общем, вариант маловероятен.

Вариант второй: кислород всё же биологический. Местная флора улавливает очень слабую компоненту видимого света 0.7–1.0 мкм (не всё же там ИК, спектр широкий) неким аналогом хлорофилла с другим набором пигментов, которые, собирая крохи света, ничего не отражают. Вся растительность будет цвета сажи. Не зелёная, как на Земле, и даже не экзотической окраски: отражать видимый свет в условиях его дефицита — непозволительная роскошь. Кислорода всё равно будет мало, но он будет.

Вариант третий, запасной: местные бактерии освоили неизвестный нам способ расщеплять воду, накапливая энергию не четырёх фотонов, а десяти или пятнадцати. Да, это сценарный «рояль в кустах», но ради зрелищности иногда приходится идти и на такое.

К цвету растительности и её формам мы ещё вернёмся, а пока прикинем состав атмосферы. Кислорода около пятнадцати процентов, что при давлении в один бар даёт необходимые 15 кПа; далее углекислота, метан, пары воды, окислы серы от многочисленных вулканов. Ну и азот, куда же без него. Углекислота и метан нужны для сильного парникового эффекта — мы ведь отодвинули Инфру к границе зоны обитаемости, помните? Но здесь важно не переборщить. Накачать углекислоту от души, как на Венере, нельзя: уже 0.5% при длительном вдыхании вызывает головную боль, 1% — сонливость, а свыше 5% грозит потерей сознания. Долю инертных газов я задал как на Марсе — они ни на что не влияют. Возвращаясь к вопросу о льде: раз мы допустили наличие водяного пара (при океанах он неизбежен), то в сезонную ночь он будет выпадать снегом и формировать нечто вроде ползущей по средним широтам ледяной шапки. Утром она тает, вечером намерзает вновь.

	Земля	Инфра	Венера	Марс
Источник Похожие статьи Запуск миссии JAXA за образцами с Фобоса — а заодно и с Марса Вероятностное мышление: почему одних частот недостаточно — интервью с Брендет Фителсон 7 удивительных параллелей между устройством Вселенной и человеческим организмом Прозрачное куриное филе благодаря Doritos: как работает оптический трюк Асимметрия как фундаментальное свойство жизни и способ решить проблему «навешивания колокольчика на кошку» для искусственного суперинтеллекта Проанализировал 50 тысяч матчей по настольному теннису: какие математические закономерности удалось найти Приставка «Денди» с доступом в интернет Переменчивые недра Земли: почему сутки длятся не ровно 24 часа Comments - Cackle Меню Поиск по играм, новостям и статьям… Поиск по играм, новостям и статьям… Введите не менее двух символов Игры Новости Статьи Введите не менее двух символов