Ещё раз об экзоконтинентах, тектонике плит и зарождении жизни
Не так давно уважаемый @SLY_G опубликовал на Хабре перевод интересной статьи «Когда во Вселенной впервые появились континенты». Ссылаясь на исследования и модели Джейн Гривз из Школы физики и астрономии Кардиффского университета в Уэльсе, автор статьи (Эван Гоф) рассуждает о том, каким образом может быть связана потенциальная обитаемость экзопланеты и наличие континентов на ней. Также в этой статье (и в работе Гривз) выдвигаются предположения, каков может быть возраст древнейших континентов во Вселенной, и какова вероятность образования континентов на планете в зависимости от того, в какой области галактического диска сформировалась звёздная система.
Эта тема, нелестно и незаслуженно охарактеризованная одним комментатором как «гадание на кофейной гуще», возвращает меня ко многим другим темам, которые я уже рассматривал на Хабре. В частности, я писал о планетах в приливном захвате, о том, как всё сложно у Венеры с тектоническими процессами, а также о том, по каким причинам могла существовать Земля-снежок. Статья @SLY_G выносит эту проблему на уровень целой галактики и заставляет задуматься о том, какова роль континентов в формировании климата, экологических ниш и, в конечном итоге, жизнепригодности далёких планет.
Оговорюсь, что современные телескопы не позволяют различать континенты на поверхности скалистых планет, поэтому все описанные далее исследования и возможные закономерности пока являются ориентировочными экстраполяциями.
С тех пор (начало 2010-х) как количество достоверно обнаруженных экзопланет стало исчисляться сотнями, а затем и тысячами, нас наиболее интересуют те из них, что находятся в зоне обитаемости. Это область, удалённая от родительской звезды настолько, что на скалистых планетах или спутниках планет-гигантов в этой области вода может существовать в жидком состоянии. Естественно, ширина и локализация этой зоны будут отличаться в зависимости от спектрального класса звезды:
Оценка жизнепригодности планеты и всей системы, в которой она находится, традиционно ставится в зависимость от того, есть ли на планете условия для существования жидкой воды, а также есть ли стабильное магнитное поле. В этом отношении мы ориентируемся, прежде всего, на вероятные причины безжизненности Марса и Венеры — планет, расположенных на ближней и дальней периферии в зоне обитаемости нашей системы. Вероятно, именно из-за потери магнитного поля и остановки геомагнитного динамо Марс постепенно потерял большую часть атмосферы, а Венера могла свалиться в ловушку влажной стратосферы из-за чудовищного парникового эффекта. Фактически, климатологи различают кризисную ситуацию «влажная стратосфера» (moist stratosphere) и катастрофическую «взрывной парниковый эффект» (runaway greenhouse). В первом случае вода постепенно покидает тропосферу и концентрируется в стратосфере, а там распадается на кислород и водород в процессе фотолиза. Во втором случае приповерхностная температура выходит на уровень, при котором океаны неконтролируемо испаряются. Именно влажная стратосфера может давать ложноположительный результат при поиске обитаемых экзопланет — верхние слои атмосферы на умирающей или безжизненной планете будут богаты кислородом. Внешняя граница зоны обитаемости традиционно проводится там, где углекислый газ может выпадать на поверхности планеты в виде сухого льда. По-видимому, сильный парниковый эффект на холодной планете может немного отодвигать границу зоны обитаемости. В настоящее время ведутся исследования и строятся компьютерные модели, призванные уточнить, какие ещё летучие вещества могут поспособствовать парниковому эффекту на холодных землеподобных планетах, в частности, на Глизе 518g и Проксима Центавра b. В настоящее время представляется, что немного подогреть планету или спутник всё-таки проще, чем «немного остудить». Вероятно, основным механизмом для сброса избыточного тепла на скалистых планетах является вулканизм, а вулканизм земного типа обусловлен тектоникой плит. Ни на одном небесном теле кроме Земли тектоника литосферных плит пока не обнаружена, а непрерывный вулканизм на спутнике Юпитера Ио обусловлен приливными взаимодействиями с Юпитером и к потенциально обитаемой планете вряд ли применим. Литосферные плиты лежат в основе континентов и Тихого Океана. Давайте кратко затронем, как же на Земле появились континенты.
Роль континентов и тектоники плит на скалистых планетах
Согласно исследованию, проведённому в 2021 году в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, первые земные континенты (кратоны) поднялись из океана между 3,3 и 3,2 млрд лет назад. На современной карте мира эти реликтовые участки земной коры расположились примерно так:
Это исследование значительно состаривает земные континенты: ранее считалось, что они возникли не ранее 2,5 миллиарда лет назад.
Кратоны сформировались из горячей расплавленной породы мантийного происхождения, вырывавшейся и просачивавшейся через очень тонкую земную кору наверх. При этом потоки породы насыщались сравнительно лёгкими минералами, содержащими кремний и магний, а более тяжёлые элементы концентрировались в мантии. Именно поэтому существует гипотеза, что основные запасы тория и урана не только остались ниже земной коры, но и могли сконцентрироваться в компактные «зёрна» в процессе перемешивания мантийных пород, вплоть до возникновения критической массы и геореакторов.
Так устроена литосфера Земли согласно современным представлениям. Поскольку верхняя мантия (с учётом давления) находится в жидком или полужидком состоянии, земная кора должна обладать плавучестью и прочностью одновременно. Вероятно, кратон всплывал и формировался примерно так:
Эту гипотезу впервые выдвинул около 1975 года Томас Джордан, но проверить её долгое время не удавалось, так как у нас практически нет доступа к образцам с большой глубины. Однако в 1999 году было опубликовано исследование, согласно которому одной плавучести недостаточно. Чтобы кратон успел затвердеть и закрепиться в виде литосферной плиты, слагающие его породы должны иметь значительную вязкость, иначе тектоника юной планеты его разорвёт.
Вязкость вещества — это физическая величина, обратная текучести. В вышеупомянутом исследовании указано, что вещество кратонов должно было оставаться лёгким, но при этом обладать очень высокой вязкостью. Так, вязкость воды составляет примерно 10−2 паскаль-секунд, вязкость мёда около 10 паскаль-секунд, а вязкость ледника может доходить до 1012 (1 триллиона) паскаль-секунд. По приблизительным оценкам, вязкость верхней мантии, окружавшей кратоны, составляла около 1021 паскаль-секунд. В свою очередь, согласно этому исследованию 2020 года, вязкость самих кратонов должна была в 100–1000 раз (как минимум) превышать вязкость мантии, чтобы кратоны не распадались.
Здесь мы возвращаемся к вероятному составу коры скалистых планет, который можно проанализировать по загрязнению звёзд (прежде всего, белых карликов) обломками сгоревших планет. В этой статье 2021 года предполагается, что стабильные континенты с нужной вязкостью могут образоваться только на тех планетах, где в достаточном количестве присутствуют кремний, алюминий и магний, вернее, их соединения с кислородом — оксиды, гидроксиды, кристаллогидраты. Эти данные коррелируют и с выводами Гривз о том, что чем выше металличность звезды (и, соответственно, протопланетного облака, из которого возникла и сама звезда, и все её планеты), тем раньше на скалистых планетах могли образоваться континенты.
В современной земной литосфере происходят конвекционные процессы, в ходе которых горячее вещество из глубин мантии поднимается ближе к земной коре, а сравнительно холодный материал из верхних слоёв «тонет» в мантии (см. слева). Если эти процессы протекают под сплошной корой, в которой нет вулканов, разломов и рифтов, как на Марсе или Венере, то формируется тектоника «запертой крышки» (stagnant lid), при которой тепло может покидать литосферу в лучшем случае через немногочисленные трещины (справа). Но на Земле уже в самой ранней истории планеты «запертая крышка» сменилась литосферными плитами (слева). Возможно, благодаря именно этому на Земле и возникла жизнь.
Тектоника плит принципиально важна как с точки зрения терморегуляции, так и для сохранения геомагнитного динамо, защищающего планету от солнечного ветра. Согласно некоторым оценкам, жизнь в океане успела зародиться ещё до того, как началась тектоника плит, но вышеизложенные факты подсказывают, что (потенциально) обитаемая планета должна обладать тектоникой плит.
Поиск экзоконтинентов во Вселенной
Джин Гривз разработала метод, позволяющий выявлять планеты с экзоконтинентами, оценивая, каков потенциал данной планеты для развития тектоники плит. В данном случае важно, насколько активно вырабатывается тепло в ядре планеты (на Земле этот механизм уже хорошо изучен).
Предполагается, что ядро подогревается в результате деления радиоактивных ядер, прежде всего, урана-239, тория-232 и калия-40. Эти изотопы образуются при взрывах нейтронных звёзд — то есть, протопланетное облако должно сформироваться после такого взрыва или быть засорено остатками нейтронной звезды. Химический состав протопланетного облака можно оценить по содержанию примесей в фотосфере звезды. По-видимому, вероятность обнаружить тектонику плит будет выше на планетах, обращающихся в системах звёзд с высокой металличностью. Вероятность будет ещё выше, если в спектре звёзд обнаруживаются следы алюминия, кремния и магния.
В 2021 году была обнаружена первая экзопланета, на которой, исходя из вышеописанных признаков, может идти глобальная тектоника плит. Это LHS 3844b, расположенная в 48,5 световых годах от Земли. Данные об этой планете изучала группа под руководством Тобиаса Майера из Центра по изучению космоса и обитаемости (CSH) при Бернском университете. Планета обращается вокруг красного карлика в созвездии Индейца. По-видимому, полноценная атмосфера на этой планете отсутствует, поэтому можно фиксировать непрерывные извержения вулканов. Орбита планеты пролегает так близко от звезды, что этот мир с высокой вероятностью находится в приливном захвате. Звезда подтягивает мантийное вещество к одному из полушарий, из-за чего в этом полушарии постоянно извергаются вулканы. Эта планета может выглядеть примерно так:
Попытавшись смоделировать условия этой планеты при помощи компьютерных симуляций, учёные пришли к выводу, что тектоника плит на ней должна быть обусловлена не только и не столько распадом радиоактивных элементов, сколько приливным захватом. Из-за того, что одно из полушарий планеты постоянно обращено к звезде, перепад температур составляет от +800 °C на дневной стороне и -250 °C на ночной, вязкость мантии под дневной стороной гораздо ниже, чем под ночной. По-видимому, именно этим и обусловлен активный вулканизм. С одной стороны, эту находку можно считать «ложноположительной» (планета максимально непригодна для обитания). Но с другой стороны, этот пример подсказывает, что приливный захват может способствовать тектонике плит, вулканизму и перемешиванию мантии — соответственно, способствовать возникновению жизни, если условия на планете окажутся более мягкими, чем на LHS 3844b.
Подзвёздный континент и приливный захват
Если планета находится в приливном захвате у очень холодной звезды, и температуры на этой планете допускают существование жидкого океана на дневной стороне и вечных льдов на ночной, то важнейшим терморегулятором и источником тектоники плит на такой планете мог бы быть подзвёздный континент. Он бы серьёзно повлиял на циркуляцию водяного пара и углекислого газа в атмосфере, а также (по аналогии с ситуацией на LHS 3844b) отличался бы выраженным вулканизмом. В таком случае инсоляции подвергалась бы преимущественно суша, а океан оставался бы частично безлёдным, но сам климат не переходил бы в состояние влажной стратосферы. Перенос тепла в таких условиях должен происходить в меридиональном направлении. При атмосферном давлении близком к земному большая часть влаги оставалась бы заключена в океане, а не в атмосфере. В результате вулканической активности континент мог бы расколоться на несколько литосферных плит, между которыми пролегают узкие и тёплые моря наподобие Красного моря на Земле. При этом сама суша могла бы лежать у тёплого полюса, примерно так, как на Земле располагается Антарктида. Хотя, в настоящее время мы не можем различать отдельные континенты на поверхности экзопланет, планета с описанным соотношением суши и воды выделялась бы быстро меняющейся облачностью над подзвёздным континентом; кроме того, там было бы очень ветрено. Отражательная способность облаков также гораздо выше, чем у глубокой воды, а отражательная способность льда и облаков примерно сопоставимы. Поэтому, если бы удалось встретить на дневной стороне планеты в приливном захвате область с высоким, но варьирующимся альбедо, а сама температура планеты находилась бы существенно выше точки замерзания воды, то по этим косвенным признакам вполне можно было бы обнаружить подзвёздный континент, с высокой вероятностью обладающий вулканизмом и тектоникой плит.
Оптимальное сочетание суши и воды
Остаётся открытым вопрос об оптимальном соотношении суши и воды на экзопланете, чтобы эта планета могла считаться жизнепригодной. В одной из недавних публикаций я рассматривал класс планет-гикеанов, которые, несмотря на огромное содержание воды и высокое атмосферное давление, с огромной вероятностью являются безжизненными. Согласно современным представлениям, на Земле баланс углекислого газа в атмосфере и мягкие климатические условия поддерживаются во многом благодаря карбонатно-силикатному циклу: активный вулканизм сочетается с постоянным связыванием избыточного CO2 в осадочных породах. Тектоника плит играет в этих процессах решающую роль, так как, с одной стороны, вулканы восполняют в атмосфере ту долю углекислого газа, который связывается в карбонатах, а с другой — субдукция и эрозия способствуют попаданию карбонатных пород в океан, откуда связанный CO2 попадает в зоны субдукции и частично возвращается в мантию. Вместе с углекислым газом таким же образом из мантии выделяется вода, которая могла составить существенную часть нынешней массы океана. Как указано в работе Хёнинга и Шпона, в современных компьютерных моделях для скалистых землеподобных планет тектоника плит не располагает к гармоничному распределению суши и воды. Формирование планетарного ландшафта зависит от трёх следующих циклов обратной связи и, в зависимости от их активности, планета окажется покрыта преимущественно сушей или преимущественно водой (многочисленными морями, которые можно считать мелкими по сравнению с запасами воды, например, на Энцеладе). Вот эти циклы, от которых зависит тектоника плит и мантийная конвекция:
Вулканизм и расплавление пород в зонах субдукции (рост континентов) и эрозия осадочных пород (разрушение континентов)
Активность поступления воды из мантии, в том числе, в результате извержения гейзеров, и, следовательно, нарастание или сокращение содержания водяного пара в атмосфере
Перенос тепла в мантии (конвекция), от которого, а также от толщины и целостности земной коры и от количества литосферных плит зависит температурный режим на планете
У планеты, не находящейся в приливном захвате, распад радиоактивных изотопов в мантии является единственным стабильным источником разогрева, так как инсоляция на протяжении существования системы может существенно меняться — например, пока звезда разгорается или если уже угасает. Исчерпание запаса радиоактивных изотопов, вероятно, приводит к быстрому остыванию планеты, в особенности небольшой, как Марс. Поэтому тектоника плит представляется достаточно редким геологическим сценарием. Она наиболее вероятна на планетах класса «земля» или «суперземля» в звёздах второго-третьего поколения с относительно высокой металличностью, от которой зависит запас радиоактивных элементов в мантии, а также с высоким содержанием кремния, алюминия и магния, от которых зависит соотношение вязкости и хрупкости пород. По-видимому, существование планет с мелкими морями, островными дугами и активным вулканизмом более вероятно, чем существование планет с относительно равномерной площадью воды и суши.
Взгляд на проблему с точки зрения зарождения жизни
В контексте таких выкладок интересно заново взглянуть на дарвиновскую гипотезу «маленького тёплого пруда» и на гипотезу «чёрных курильщиков» как основных потенциальных источников зарождения жизни. По-видимому, первый сценарий наиболее вероятен на планетах с островными дугами, а также на планетах в приливном захвате, где имеется крупный подзвёздный континент с активным вулканизмом. Второй сценарий вероятен на любой планете-океане, однако он с высокой вероятностью порождает экстремофилов, которые с большим трудом могли бы проникать в холодную для них толщу океана и тем более на сушу. Маленький тёплый пруд с высоким содержанием железных и медных ионов — экосистема, практически неизбежно возникающая на планете, где есть вулканизм, а на поверхности может существовать жидкая вода (в том числе, занесённая кометами). Поэтому в будущем наибольший интерес должны представлять планеты, похожие не столько на Землю, сколько на Тихий Океан.
