Придатна зона: Розрахунок, де вода залишається рідкою

Зона можливостей

Вокруг зірки існує певний діапазон орбітальних відстаней, де може перебувати камениста планета з придатною атмосферою та підтримувати рідку воду на поверхні. Це часто називають «зоною Запорізької медівки», але за цим стоїть просте енергетичне балансування: занадто близько до зірки вода випаровується або покидає її, а занадто далеко вона замерзає. Що робить зону межи можливостями корисним для астрономів, це те, що її межі можна обчислювати на основі вимірюваних властивостей зірки, без необхідності безпосереднього спостереження поверхні планети.

Два рубежі, два неконтрольовані зворотні зв’язки

Межі зони встановлені двома різними атмосферними зворотними зв’язками, формалізованими Джеймсом Кастінгом, Дэніелем Вітхіром та Рей Ріверса в оглядовому документі 1993 року та відточені з часом (зокрема, Раві Коппарапу та його колегами у 2013 році):

Внужна межа — шалена парникова діяльність Занадто великий сонячний потік випаровує поверхневу воду в атмосферу швидше, ніж вона знову опадає; водяна пара є потужним парниковим газом, тому нагрівання та випарювання підсилюють один одного до тих пір, поки океани повністю не закип’ятять. Зовнішня межа — максимальна парникова діяльність Якщо сонячного потоку замало, то планета повинна покладатися на CO2 для підтримки температури. Але після певного рівня концентрації CO2, густі хмари відбивають більше сонячного світла, ніж може утримати додатковий парниковий ефект — подальший CO2 не допомагає, і поверхня замерзає. Венера, ймовірно, вже всередині внутрішньої межі за більшості оцінок, зазнала саме цієї шаленою парникової діяльності на ранніх етапах своєї історії. Марс, поблизу або трохи за межами зовнішньої межі, може втратити здатність підтримувати достатньо сильний CO2 парниковий ефект для підтримки поточного тепла.

Inner edge — runaway greenhouse
  Too much stellar flux evaporates surface water into the
  atmosphere faster than it can rain back out; water vapor is
  itself a potent greenhouse gas, so warming and evaporation
  reinforce each other until the oceans boil away entirely.

Outer edge — maximum greenhouse
  Too little stellar flux, and a planet must rely on CO2 to
  stay warm. But past a certain CO2 concentration, thick clouds
  reflect more sunlight than the added greenhouse effect can
  trap — additional CO2 stops helping and the surface freezes.

Масштабування з зірком

Оскільки фізично важливим є потік енергії, який отримує планета, а потік зменшується в квадраті відстані, то відстань межі населених територій масштабується з квадратним коренем від яскравості зірки відносно яскравості Сонця:

d_AU ≈ sqrt( L_star / L_sun ) // першочервневе масштабування для рівного потоку L_sun (G star, наша Сонячна система): внутрішня ≈ 0.95 AU, зовнішня ≈ 1.4 AU faindy M-зірка (0.01 L_sun): внутрішня ≈ 0.1 AU, зовнішня ≈ 0.14 AU ясклива A-зірка (10 L_sun): внутрішня ≈ 3.0 AU, зовнішня ≈ 4.4 AU Це квадратне кореневе масштабування є спрощенням — справляє розрахунок Коппарапу, який включає повні радіативно-конвекційні кліматичні моделі для кожної температури зірки, оскільки спектр холоднішої зірки зміщений у інфрачервоний діапазон, що поглинається водяним паром і CO2 відрізняється від того, як вони поглинають видиме світло. Але основне висновок залишається: холодніші, менш яскраві зірки стискають свою зону населених територій всередину, а гарячіші, яскравіші зірки розширюють її, точно так само, як показано в демонстрації, коли ви змінюєте масу зірки.

d_AU ≈ sqrt( L_star / L_sun )     // first-order scaling for equal flux

L_sun (G star, our Sun):    inner ≈ 0.95 AU,  outer ≈ 1.4 AU
faint M dwarf (0.01 L_sun): inner ≈ 0.1 AU,   outer ≈ 0.14 AU
bright A star (10 L_sun):   inner ≈ 3.0 AU,   outer ≈ 4.4 AU

Постійно змінювана межа

Зі старінням зірки вони стають яскравішими, тому межа населених місць не є фіксованою — вона повільно віддаляється назовні протягом усього періоду згоряння головного шару. Сонце приблизно на 30% яскравіше сьогодні, ніж тоді, коли утворилася Земля, і ця межа населених місць поступово віддаляється з моменту її формування. Очікується, що Земля зрештою перейде всередину в межі внутрішнього краю та втратить океани через неконтрольований парниковий ефект ще за 1-2 мільярди років до того, як Сонце покине головний шар – більшість оцінок роблять висновок про це приблизно на пі campuses між 1 і 2 мільярдами років.

Необхідно, а не достатньо

Знаходитися в межах населеного поясу лише означає, що рідке воду фізично можливо за наявності певної атмосфери — це нічого не говорить про те, чи має фактично планета її. Планета може перебувати в зоні і водночас бути безжиттєвою порожньою породою, як Меркурій би став, якщо б його перемістили туди, або стисненням, безводним газовим гігантським. Реальна придатність також залежить від складу та товщини атмосфери, захисного магнітного поля, тектоніки плит для рециркуляції вуглецю та стабільного супутника – усі ці фактори концепція населеного поясу свідомо ігнорує, щоб обчислення були практичними.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Habitable Zone Calculator і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.