За всё время существования моего блога на SE7ENе одна из самых забавных астрофизических публикаций вышла в июле 2023 года. Она называлась «Зима наступает. Возможные астрофизические объяснения климатического хаоса в Вестеросе», и в ней я разобрал некоторые гипотетические причины (связанные с инсоляцией и небесной механикой), которые могли бы приводить к неограниченно долгим и внезапно наступающим похолоданиям в известном фэнтезийном мире, придуманном Джорджем Мартином. Времена года — интереснейшая черта земного климата, и в Солнечной системе смена сезонов также достоверно зафиксирована на Марсе, а в специфической форме — и на газовых гигантах, в частности, на Юпитере. Периодичность и продолжительность времён года определённо должна коррелировать с эксцентриситетом орбиты и с наклоном оси планеты. Поскольку вся земная биосфера функционирует в тесной взаимосвязи со сменой времён года, предполагается, что выраженная сезонность может быть биосигнатурой.
Небесная механика времён года
Когда у планеты идеально синхронизированы ось её обращения по орбите и ось суточного вращения, а сама орбита является круговой, в течение всего года планета одинаково освещается звездой. Поскольку смена времён года связана с периодическими изменениями инсоляции и угла падения света на поверхность планеты, в описанном случае никакой смены времён года на планете не будет. Также планета может находиться в приливном захвате, и тогда в разных её полушариях будут неизменно существовать два противоположных «сезона» — подобную ситуацию я рассматривал в публикации «Буря в пустыне, сумерки и торосы».
Времена года существуют на Земле и на Марсе именно потому, что у обеих планет ось вращения заметно наклонена относительно плоскости эклиптики. Наклон оси у Земли составляет около 23 градусов, а у Марса — 25,2 градуса. Именно поэтому северное полушарие интенсивнее освещается летом, когда эта часть планеты обращена к Солнцу.
Планета, вращаясь вокруг собственной оси и обращаясь вокруг светила, заметно «гуляет», подобно волчку, поскольку испытывает притяжение со стороны звезды. Это явление называется «прецессией».
Наклон земной оси непосредственно зависит от того, как на планете распределена масса. Чем больше такой избыток массы в полярных областях, тем сильнее наклон оси, и тем экстремальнее сезонность климата. Вот как располагались бы земные материки, если бы наклон орбиты постепенно увеличивался:
В течение длительных (геологических) периодов времени наклон земной оси относительно орбиты значительно варьируется. Этот показатель может варьироваться между 21,1 и 24,5 градусами. На Земле один такой период длится около 41 000 лет и напрямую связан с разрастанием и отступлением ледников. Эти периоды названы циклами Миланковича в честь сербского климатолога Милутина Миланковича (1879-1958), впервые описавшего их в 1930 году в статье «Mathematical Climatology and the Astronomical Theory of Climate Change». Насколько сегодня известно, циклы Миланковича наблюдаются не только на Земле, но и на Марсе, поэтому в разные геологические эпохи на Марсе может увеличиваться объём ледников, а на поверхности — появляться жидкая вода. Подробный материал о марсианских циклах Миланковича опубликовал на SE7ENе уважаемый @SLY_G. Вот как выглядит Марс на разных этапах собственных циклов Миланковича:
В настоящее время наклон земной оси уменьшается (угол между земной осью и плоскостью эклиптики увеличивается по направлению от острого к прямому). Именно эти изменения могут приводить к смягчению климата (зимы становятся теплее, а граница между летом и зимой становится менее выраженной). Напротив, при увеличении наклона оси лето становится жарче, зима – холоднее. Из-за этого зимой растут ледяные шапки и горные ледники, а за лето они не успевают растаять. Поскольку эти процессы сильно растянуты во времени, они едва прослеживаются даже в масштабах всей человеческой истории, но, тем не менее, это и есть отражение небесной механики на уровне планетарного климата. Такие принципы должны действовать на всех скалистых планетах, где наблюдается смена сезонов.
Как наклон оси вращения связан с временами года
Подробнее рассмотрим, каким образом времена года зависят от наклона оси к орбите. Слабый наклон оси относительно орбиты приводит к усиленной инсоляции экваториального пояса и слабой инсоляции приполярных областей. С другой стороны, чем сильнее наклон оси, тем сильнее перегревается один полюс и остывает другой, пока времена года не сменятся. В свою очередь, экватор стабильно остывает, так как звезда уже не круглогодично стоит над ним в зените. Но, если на экваторе просто становится прохладнее, сезонность ближе к полюсам становится всё более выраженной, а времена года меняются резче.
Если наклон земной оси относительно орбиты превысит 54 градуса, то экватор обледенеет, а на полюсах установится стабильно тёплая погода.
Если же наклон оси часто, сильно и непредсказуемо варьируется, то сезонные колебания климата на планете становятся ещё более резкими и сложнопредсказуемыми (но, тем не менее, они остаются сезонными, поскольку рано или поздно планета успевает совершить полный оборот по орбите). В случае, если орбита будет сильно вытянута, то на протяжении большей части года планета будет пребывать в состоянии «Земля-снежок».
Вытянутость орбиты называется эксцентриситетом. Насколько известно сегодня, все стабильные планетарные орбиты имеют форму эллипса, где эксцентриситет может варьироваться от 0 (круг) до 1, где все значения выше 0,1 характеризуются как высокий эксцентриситет. Эксцентриситет земной орбиты очень невелик и составляет около 0,02.
Эксцентриситет орбиты и потенциальная обитаемость планет
Поскольку внеземная жизнь нам пока не известна, на примере одной лишь Земли невозможно оценить, как эксцентриситет орбиты может коррелировать с обитаемостью или жизнепригодностью планеты. Тем не менее, эти соотношения можно смоделировать на компьютере. В 2019 году группа учёных под руководством Эндрю Джеттельмена из Северо-Западной Национальной лаборатории протестировали две модели, где эксцентриситет орбиты составлял 0 и 0,4 (чрезвычайно высокий).
Это было сделано при помощи программного пакета «The Whole Atmosphere Community Climate Model» версии 6, WACCM6. В подробной трёхмерной системе Земля-Солнце учитываются такие составляющие, как химия атмосферы, ледяной покров океанов, активность течения рек и их конфигурация. Настройки были заданы как для доиндустриальной эпохи, чтобы исключить из модели антропогенные факторы, влияющие на изменение климата.
Чтобы судить о жизнепригодности смоделированных таким образом вариантов Земли, команда ориентировалась на поверхностную температуру суши и кумулятивное количество осадков. В качестве нижнего температурного предела обитаемости был выбран 0°C или 273 K, хотя, многие теплокровные свободно выживают и при более низких температурах. В качестве минимального увлажнения выбрали уровень 30 сантиметров осадков в год — более низкие значения приводят к опустыниванию, но не полной безжизненности ландшафта, однако полноценное биоразнообразие поддерживается только в более влажном климате.
В обоих вариантах модели средняя температура на поверхности планеты оставалась устойчиво положительной — 17°C на планете с меньшим эксцентриситетом орбиты и 15°C на планете с большим. Однако в случае с большим эксцентриситетом орбиты площадь морского льда была на 0,1% меньше, чем на Земле, также наблюдалось на 5% меньше областей, покрытых снегом. При этом территория, где наблюдались ежегодные кумулятивные осадки в количестве 30 см и более, оказалась на 25% обширнее, чем на планете с меньшим эксцентриситетом, проверенной в рамках этой модели.
Этот опыт позволяет предположить, что, если бы эксцентриситет орбиты у Земли был примерно вдвое более выраженным, чем сегодня, то наша планета была бы значительно более удобна для обитания (на ней нашлось бы место более разнообразным экосистемам). Поскольку сама орбита получилась бы более протяжённой, длительные засухи (в том числе, холодные зимние засухи) чередовались бы на ней с длительными сезонами дождей, а в зависимости от площади морей и прочих открытых водоёмов это могли бы быть сезоны штормов и наводнений. Резкая смена сезонов (наступление лета и быстрый рост инсоляции) могла бы приводить к регулярному образованию естественных озоновых дыр. Тем не менее, все эти факторы должны были активизировать на планете эволюцию и повысить биоразнообразие.
Стабильность сезонов на экзопланетах
В начале этого раздела не могу не сослаться на замечательную диссертацию «Резонансные и хаотические явления в динамике небесных тел» Александра Викторовича Мельникова, доктора физико-математических наук, работающего в Пулковской обсерватории. Он подробно разбирает влияние спутников на орбитальную динамику планет, а также интересно рассказывает о конфигурации планетарных орбит в двойных и тройных звёздных системах.
Приходится признать, что Земля – не самый репрезентативный пример для экстраполяции на сезонность экзопланетного климата. Во-первых, Луна — это очень крупный спутник и, возможно, она дополнительно стабилизирует земную ось. Во-вторых, в таких многопланетных системах, как TRAPPIST-1, орбиты самих планет расположены очень близко к звезде, а планеты – друг к другу. В результате возникает множество факторов (вплоть до взаимовлияния магнитосфер), осложняющих орбитальную динамику и привносящих в неё непредсказуемые элементы. Исследовать орбитальную динамику и сезонность потенциально жизнепригодной планеты впервые взялись в 2018 году Юйтун Шань и Гунцзе Ли, работающие в Гарвард-Смитсоновском астрофизическом центре при Гарвардском университете.
Они исследовали Kepler-186f, одну из первых известных скалистых экзопланет, похожих на Землю и при этом расположенных в зоне обитаемости своей звезды. Она расположена в системе красного карлика Kepler-186 в созвездии Лебедя в 492 световых годах от Земли.
В системе Kepler-186 кроме Kepler-186f известно ещё пять планет, однако расстояние между орбитами Kepler-186f и Kepler-186fe настолько велико, что гипотетически там могли бы уместиться ещё две планеты с инсоляцией в 125 % и 68 % от земной. Но по современным данным Kepler-186 удалена от соседних планет в достаточной степени, чтобы они не влияли на её вращение, и наклон оси у неё оставался фиксированным, как и у Земли. Шань и Ли разработали компьютерную симуляцию, в которой также учли орбитальную динамику Kepler-62f и Земли, причём, орбитальная динамика Земли исследовалась как с Луной, так и при гипотетическом отсутствии Луны. Kepler-62f находится в созвездии Лиры, эта планета примерно на 40% больше Земли, её орбита пролегает в пределах зоны обитаемости родительской звезды (оранжевого карлика). Kepler-62f также существенно удалена от других пяти планет в своей системе. Согласно этому исследованию, наклон оси у таких планет как Kepler-186f и Kepler-62f должен оставаться стабильным в течение миллионов лет, а не десятков тысяч лет, как у Земли. Поэтому времена года там должны сменяться плавно и медленно, а температуры на поверхности оставаться ровными. Сложно сказать, положительно или отрицательно такая ситуация может сказаться на перспективах возникновения жизни, однако смена сезонов определённо является существенным движущим фактором эволюции многоклеточных, а на упомянутых планетах такой фактор будет действовать гораздо слабее.
X0-3b
Для полноты описанной картины не хватает скалистой планеты земного типа с очень высоким эксцентриситетом орбиты, которая в течение года успевала и подойти к звезде на близкое расстояние, и отдалиться от неё. Но ещё в 2007 году был открыт горячий юпитер XO-3b, расположенный в созвездии Жирафа в системе жёлтого карлика XO, близкого по свойствам к Солнцу. Сама звезда находится на расстоянии 850-900 световых лет от Солнца. Горячие юпитеры — это газовые гиганты, сформировавшиеся в глубине своих систем, но постепенно сдвинувшиеся максимально близко к звезде, где такая планета может оставаться на орбите, не испаряясь и не падая на звезду.
Орбита X0-3b в этом отношении крайне экзотическая. Когда X0-3b максимально сближается со звездой, как показано на иллюстрации выше, расстояние между ними оказывается менее 6,8 миллионов километров (для сравнения: Меркурий в перигелии удалён от Солнца на 46 миллионов километров, Земля – примерно на 150 миллионов километров). В самой дальней точке орбиты (афелии) эта планета получает примерно втрое меньше тепла, чем в самой ближней, однако и «зимой» температура в атмосфере этого газового гиганта должна превышать 3000 градусов Цельсия. Учитывая, что год (орбитальный период) на X0-3b длится от 3 до 4 дней, «климатические условия» или «времена года» там должны меняться ежедневно. Поскольку горячие юпитеры состоят в основном из водорода, существует версия, что на них могут наступать кратковременные настолько жаркие периоды, когда в самой атмосфере планеты возможен термоядерный синтез — об этом пишет в своей статье 2006 года «New Concept for Internal Heat Production in Hot Jupiter Exo-Planets» Дж. Марвин Херндон из Сан-Диего. При этом, как указывает автор, все известные к тому моменту горячие юпитеры обладают слишком малым эксцентриситетом орбиты, чтобы на их «сезонность» могли влиять ещё и приливные взаимодействия со звездой, но теоретически фактор приливных сил также может сказываться на орбитальной динамике планеты и дополнительно эту планету подогревать.
Заключение
Учитывая, что сейчас поиск скалистых потенциально обитаемых землеподобных планет сосредоточен в компактных системах красных и оранжевых карликов (и датасет таких «перспективных» экзопланет продолжает увеличиваться), мы вряд ли близки к открытию планеты с сезонностью земного типа. Тем более сложно было бы сейчас открыть планету с явными проявлениями циклов Миланковича. Наличие крупного спутника как в системе «Земля-Луна», который влиял бы на наклон орбиты, также представляется редким явлением (согласно некоторым исследованиям, без Луны наклон земной оси к орбите мог бы варьироваться от 0 до 45 градусов, но в целом роль Луны в такой стабилизации земной оси пока далёк от разрешения). В системах красных и оранжевых карликов сезонность на скалистых планетах, расположенных вне зоны приливного захвата, должна быть обычным явлением, но обусловлена она будет, прежде всего, воздействием соседних планет и их магнитных полей. Если будет открыта планета земного типа на очень вытянутой овальной орбите, то в формировании её сезонности будут участвовать не только метеорологические, но и геологические факторы, лето в таком мире должно выдаваться по-настоящему адским (даже если не чрезмерно жарким). Наконец, сезонность на планетах в двойных и тройных звёздных системах пока исследованию не поддаётся, но должна выглядеть экзотичнее самых смелых фантазий Мартина и Лю Цысиня.
