Влияние эволюции Солнца на условия жизни в Солнечной системе

 

Ниже мы обсудим, как эволюция Солнца может воздействовать на биосферу Земли и возможные формы жизни на других планетах или их спутниках, однако предварительно полезно разобраться с судьбой самих планет в астрономических масштабах времени.

 

7.2.1. Планетные орбиты

Рис 7.4

 

На рис.7.4(а) показано изменение радиуса Солнца в процессе его эволюции на главной последовательности и после ухода с неё (обратите внимание на изменение масштаба времени между этими двумя этапами). На графике выделяется гигантский пик непосредственно перед началом «сжигания» гелия в ядре Солнца, соответствующий описанному выше чудовищному увеличению размера звезды. После того, как весь гелий будет израсходован, радиус вновь начнет возрастать и останется большим до тех пор, пока вокруг Солнца не рассеется планетарная туманность, после чего его размер стремительно спадёт до ничтожной величины. На рис.7.4(а) приведены также размеры больших полуосей орбит ближайших к Солнцу планет; как видим, расширение Солнца при сохранении этих орбит приведет к немедленному поглощению ближайших планет – Меркурия и Венеры, а Земля окажется практически на грани поглощения. К счастью, Солнце в этот период должно выбрасывать большие массы вещества, в результате чего орбиты планет заметно увеличатся, что и показано на рисунке. При таком развитии событий Земля получит шанс на выживание, а Марс и внешние планеты вместе со своими спутниками определённо смогут сохраниться.

Однако изменение планетных орбит может привести к тесным взаимным сближениям планет, способным вызвать как вылет некоторых из них за пределы Солнечной системы, так и их падение на Солнце. Расчеты показывают, что этот сценарий маловероятен для всех планет, за исключением Плутона, который действительно может стать жертвой какой-нибудь космической катастрофы в течение тех нескольких миллиардов лет, пока наше Солнце превратится в белый карлик. Не исключено также, что Солнце потеряет так много своей массы, что уже не сможет удерживать рядом с собой планеты. Однако расчеты показывают, что даже потеряв 50% массы и превратившись в белый карлик, Солнце будет ещё способно удержать все те планеты, которые не будут проглочены им в фазе красного гиганта и не покинут систему в результате взаимных сближений.

Однако сохранение планет в качестве космических тел не означает, естественно, сохранения на них каких-либо форм жизни – существующих или потенциально возможных. Так что нам следует задуматься над тем, что произойдет с условиями жизни на планетах по мере эволюции Солнца.

 

7.2.2. Зона жизни (ЗЖ)

 

Напомним: в разделе 4.2 было показано, что расстояние ЗЖ от Солнца зависит от его светимости и температуры фотосферы (причем из этих двух факторов более важную роль играет светимость). Поэтому из данных рис.7.4(б) можно сразу понять, что уход Солнца с главной последовательности должен иметь чудовищные последствия для любых проявлений жизни в нашей системе. Однако, немного подумав, мы поймем, что с серьезнейшими проблемами придется столкнуться ещё до этого!

Рис 7.5

На рис.7.5 показано изменение границ ЗЖ для нескольких наборов граничных условий выживания в период эволюции Солнца на главной последовательности Использованные в разделе 4.2 критерии соответствуют средним границам на рис.7.5. Для сравнения указаны также значения больших полуосей орбит Венеры, Земли и Марса. Как видим, даже при самом оптимистическом варианте, примерно через 4,4 млрд. лет Земля станет необитаемой. Более консервативная оценка приводит к цифре 2,8 млрд. лет, а по самому пессимистическому прогнозу жизнь на Земле прекратиться уже через 800 млн. лет. Жизнь станет невозможной из-за резкого повышения температуры поверхности Земли и связанного с этим увеличения содержания водяного пара в атмосфере. Как уже было сказано в разделе 4.2, повышение температуры усиливает испарение воды и таким образом ещё сильнее «разгоняет» парниковый эффект. При этом даже очень тонкая, толщиной несколько километров твердая «корка» нашей планеты, на которой жизнь существует в настоящее время, нагреется настолько, что Земля будет стерилизована, не говоря уже о более нагретых внутренних областях. Судьба Земли при этом повторит участь Венеры, которая, по-видимому, пережила нечто подобное на раннем этапе развития Солнечной системы. Дальнейший рост светимости Солнца должен лишить Землю атмосферы и оставить голую и беззащитную поверхность, которая будет раскаляться днём и охлаждаться ночью до крайних пределов.

Впрочем, из рис.7.5 можно заключить также, что условия на Марсе будут улучшаться по мере эволюции Солнца на главной последовательности. В настоящее время поверхность Марса необитаема, хотя он попадает в ЗЖ по положению орбиты, т.е. жизнь на этой планете могла бы существовать, если бы планета была покрупнее (см. задачу 5.2). В далеком будущем рост светимости Солнца может привести к испарению некоторых компонент (особенно СО₂ и воды) из поверхностных слоев планеты, что усилит на Марсе парниковый эффект и значительно повысит температуру поверхности. Из-за роста давления у поверхности вода может перейти в жидкую фазу и залить большие участки суши, в результате чего подземные формы жизни Марса (если они существуют в настоящее время) смогут широко распространиться по внешней оболочке планеты. Впрочем, жизнь в этих условиях может возникнуть даже в том случае, если сейчас эти формы отсутствуют, и тогда она получит шанс для развития в течение нескольких миллиардов лет, пока Солнце будет ещё оставаться на главной последовательности. Позднее, при резком увеличении светимости Солнца, жизнь на Марсе должна будет повторить судьбу жизни на Земле и погибнуть по тем же причинам.

Возможность жизни на Европе в настоящее время зависит не от излучения Солнца, а от приливного нагрева (см. раздел 4.3.3), поэтому там ситуация не изменится до тех пор, пока Солнце не будет способно растопить ледяную кору Европы. Различные водные формы жизни в её биосфере смогут существовать и после перехода Солнца к фазе красного гиганта. Однако уже первый гигантский пик светимости (показанный на рис.7.4) может растопить ледяную кору, в результате чего этот небольшой спутник (его масса составляет лишь 8% от массы Марса) должен за короткое время потерять весь запас воды. Если после этого жизнь сможет быстро адаптироваться в каменистой коре Европы, то некоторое время она сможет сохраняться там, хотя и в этом случае перед ней встанет проблема выживания в критический момент наступления первого гигантского пика светимости. Сама планета Юпитер должна сохраниться, хотя размер её атмосферы будет резко увеличиваться или уменьшаться в соответствии с сильными изменениями светимости Солнца.

После перехода Солнца в фазу гиганта Титан разогреется, и на нем появится вода в жидком состоянии, что в далекой перспективе может дать старт предбиологическим процессам, ведущим к зарождению жизни. К сожалению, вероятность такого события невелика, поскольку спустя несколько десятков миллионов лет чудовищная температура гигантского пика должна «вскипятить» всю поверхность Титана.

Переход Солнца в разряд красных гигантов уничтожит все остатки жизни в Солнечной системе, а последующий выброс горячего газа с образованием планетарной туманности только ухудшит ситуацию. Быстрое охлаждение Солнца и его превращение в белый карлик буквально заморозит всю Солнечную систему, и возможность жизни сохранится лишь в глубинах планет-гигантов, где останутся хоть какие-то потоки тепла из центральных областей. Как говорится, утопающий хватается за соломинку.

 

Выводы

 

* Взрывы сверхновых звезд, а также сближения с близко подлетевшими звездами могут привести к полной гибели жизни в Солнечной системе; однако возможность таких "внешних" катастроф за время существования Солнца представляется весьма маловероятной.

* Когда Солнце превратится в красный гигант, его радиус возрастет настолько, что Меркурий и Венера будут "проглочены", но Земля при этом может уцелеть!

* Эволюционируя в течение 11 млрд. лет на главной последовательности, Солнце постепенно увеличивает свою светимость, что должно вызвать в будущем, примерно через 1-4 млрд. лет, нарастающий парниковый эффект на Земле. Марс на время станет пригодным для жизни, поскольку обзаведётся плотной атмосферой (за счет испарения слоя вечной мерзлоты), но затем вновь станет безжизненным из-за воздействия мощного парникового эффекта, когда Солнце, примерно через 6 млрд. лет от наших дней, будучи на стадии красного гиганта, чудовищно увеличит свою светимость.

* Вероятно, ледяная кора Европы растает от солнечного тепла в момент первого гигантского пика светимости Солнца в стадии гиганта. Затем этот маломассивный спутник Юпитера потеряет весь запас воды и сопутствующую ей водную биосферу. Вскоре после этого должны погибнуть и любые формы жизни, которые могли бы существовать в каменистой коре Европы.

* Возможно, впоследствии какие-то формы жизни возникнут, и даже смогут процветать на далеких окраинах Солнечной системы, но лишь тогда, когда светимость Солнца позволит появиться там воде в жидком виде.

* После превращения Солнца в белый карлик (примерно через 8 млрд. лет) единственным местом возможного существования жизни в Солнечной системе останутся атмосферы планет-гигантов, где внутренние источники тепла поддерживают достаточно высокую температуру. Но эта возможность выглядит довольно призрачной.

 

 

7.4. Задания и вопросы к главе 7

 

Ответы даны в конце книги.

 

Вопрос 7.1.

Опишите две возможности сохранения земных форм жизни вне нашей планеты после того, как она станет непригодной для жизни.

 

Вопрос 7.2.

Оцените, насколько светимость молодого белого карлика (с эффективной температурой 2 ´ 10⁴ К) меньше нынешней светимости Солнца. Попробуйте качественно оценить положение ЗЖ вокруг молодого белого карлика.

 

 

Подписи к рисункам

 

Рис.7.1. Взрыв сверхновой звезды (1987А) типа II в Большом Магеллановом Облаке, зафиксированный в 1987 г. В центре кольцевой структуры, образовавшейся на более раннем этапе взрыва, можно различить растущий огненный шар.

Chung Shing Jason Pun (NASA CFSC), Robert P.Kirshner (Harvard Smithsonian Centre for Astrophysics) и NASA.

 

Рис.7.2. Размеры Солнца на ранней стадии красного гиганта и в настоящее время.

 

Рис.7.3. Планетарная туманность NGC 6369, выброшенная гигантской звездой на конечном этапе развития. Остаток звезды (в центре) превращается в белый карлик.

NASA and The Hubble Heritage Team (STScI).

 

Рис.7.4.

Изменение параметров Солнца на главной последовательности и после её окончания. (а) Радиус Солнца (указаны также размеры больших полуосей орбит ближайших планет); (б) Светимость и эффективная температура.

 

Рис.7.5.

Возможные изменения границ зоны жизни (ЗЖ) в период эволюции Солнца на главной последовательности для трех наборов граничных условий выживания. Умеренные условия (сплошные линии) соответствуют критериям раздела 4.2. Штриховые и штрих-пунктирные линии соответствуют экстремальным значениям условий. Указаны также большие полуоси орбит Венеры, Земли и Марса.

 

Надписи на рисунках

Рис.7.2.

1 – Инертный водород (гелий и т.п.)

2 – 1,5 ´ 10⁷ км (0,10 а.е.)

3 – Слияние атомов водорода

4 – 2,0 ´ 10⁴ км

5 – Инертный гелий

6 – Современный размер Солнца.

 

Рис.7.4.

1 – Радиус Солнца (в единицах нынешнего)

2 – Возраст Солнца (миллиарды лет)

3 – Марс 4 – Земля 5 – Венера 6 – Меркурий

7 – Момент ухода с главной последовательности

8 – Иной масштаб

9 – Первый гигантский пик 10 – Серия пиков

11 – Светимость Солнца (в единицах нынешней)

12 – Эффективная температура (К) 13 – Температура

 

Рис.7.5.

1 – Расстояние от Солнца (а.е.)

2 – Возраст Солнца (миллиарды лет)

3 – Земля 4 – Венера 5 – Марс

6 – наша эпоха

 

 

Барри Джонс. Жизнь в Солнечной системе и за её пределом. Шпрингер, 2004.

 

Глава 8.