Каким будет дождь на чужой планете?

На Титане, самой большой луне Сатурна, регулярно идут дожди.

 Как и на Земле, эти дожди являются результатом испарения жидкости с поверхности, конденсации ее в небе и выпадения обратно на поверхность в виде осадков. На Земле это называется гидрологическим (или водным) циклом, который является неотъемлемой частью нашего климата. В случае Титана имеют место быть все те же этапы, но именно метан является предметом круговорота, а не вода.

В последние годы ученые обнаружили свидетельства схожих закономерностей, связанных с экзопланетами, во всем, начиная от расплавленного металла и заканчивая лавовым дождем. В связи с этим возникает вопрос о том, насколько экзотическими могут быть дожди в чужих мирах. Недавно группа исследователей из Гарвардского университета провела исследование, в котором они изучали, как дождь будет отличаться в различных экстрасолнечных планетарных средах.

Это исследование проводилось Кейтлин Лофтус, аспиранткой Гарвардского факультета наук о Земле и планетах. Ее наставником (и соавтором исследования) стал Робин Д. Вордсворт, который возглавляет группу Вордсвортских исследований планетарного климата и эволюции атмосферы в Гарвардской школе инженерных и прикладных наук (SEAS).

Исследования осадков и записи об осадках прошлого на Земле научили ученых многому о динамической природе его климата. К сожалению, в условиях экзопланет аналогичные  исследования пока невозможны, что не позволяет ученым установить более жесткие ограничения на их потенциальную пригодность к обитанию. Однако знание этих условий на Земле помогло ученым предсказать планетарный климат Марса и Титана.

В ходе исследования Лофтус и Вордсворт изучили, как это может быть применено и к экзопланетам. Как Лофтус объяснил:

«Ключевым компонентом обитаемости является климат (для проверки того, может ли планета поддерживать на поверхности воду в жидком состоянии). Одним из основных факторов неопределенности в понимании климата в различных планетарных средах (даже, скажем, при нынешнем переходе современной Земли к более высоким уровням CO2) является поведение облаков. Осадки — это ключевой способ «смерти» облаков, поэтому понимание того, как действуют осадки, может помочь нам описать поведение облаков и, в конечном счете, лучше предсказать климат планеты.

«Осадки дополнительно помогают контролировать количество воды в атмосфере. Поскольку водяной пар является очень хорошим парниковым газом, такой баланс количества воды в атмосфере может также влиять на климат…». Наконец, осадки являются важным компонентом механизма негативной обратной связи для стабилизации климата планеты (карбонатно-силикатный цикл), который лежит в основе концепции «жилой зоны» экзопланеты.

Эти знания будут необходимы, добавил Лофтус, когда телескопы нового поколения присоединятся к поиску потенциально пригодных для жизни экзопланет. В ближайшие годы астрономы и астробиологи смогут проводить прямые визуальные исследования экзопланетной атмосферы. Наличие моделей, предсказывающих поведение облаков и водяного пара на этих планетах, будет иметь большое значение для оценки их обитаемости.

Хотя предсказать характер осадков на удаленной экзопланетте очень сложно, одним из компонентов, который можно легко понять, является поведение отдельных капель дождя. Учитывая, что каждая капля дождя, падающая из облака, регулируется сочетанием гидродинамики, термодинамики и атмосферных условий, их изучение может многое открыть о климате планеты.

Лофтус и профессор Вордсворт показали, как можно рассчитать три ключевых свойства: их форму, скорость падения и скорость, с которой они испаряются.

«Облака и осадки очень зависят от того, что происходит на очень малых масштабах (капли облаков/капли дождя порядка микрон-миллиметров), средних масштабах (облака, уже большие масшабы — километры- десятки сантиметров) и очень больших масштабах (водные массивы планетарного масштаба). Точное представление всех этих вкладов в одной модели не поддается трассировке современными (или доступными в обозримом будущем) компьютерами».

Мы стараемся использовать самый простой и понятный компонент водного цикла — капли воды под облаком — чтобы ограничить то, что «важно» среди всей сложности», — добавила она. «Важно», конечно, субъективное определение, но в данном случае оно подразумевает отслеживание того, какое количество атмосферного водяного пара будет утилизировано и превратится в воду на поверхности, что является ключевым требованием для существования жизни в том виде, в котором мы ее знаем».

Из этих трех свойств они смогли получить простое выражение, объясняющее поведение капель дождя из более сложных уравнений. В конечном итоге, они обнаружили, что (в широком диапазоне планетарных условий) на поверхность могут попасть только капли дождя в относительно узком диапазоне размеров. Как указал Лофтус, их исследования могут позволить улучшить представление об осадках в сложных климатических моделях в будущем:

«В настоящее время многое из того, что мы понимаем о том, как облака и осадки работают в более крупной климатической системе, зависит от того, что мы видим (и видели) на Земле. Однако это оставляет большую неопределенность в отношении того, насколько правомерно переносить такой опыт в среды, в которых многие физические условия отличаются друг от друга.

Мы ждем, когда 31 октября 2021 года космический телескоп Джеймса Уэбба стартует. Используя свой усовершенствованный набор инфракрасных приборов и спектрометров, космический телескоп сможет изучать атмосферу экзопланет меньшей массы, которые находятся на орбите близко к своим звездам, т.е. там, где вероятнее всего находятся потенциально пригодные для обитания планеты.

Это позволит ученым определить химический состав атмосферы этих планет, который может включать водяной пар и другие «биосигнатуры». Другие телескопы, такие как Чрезвычайно большой телескоп (ELT) ЕЮО, Гигантский Магеллановский телескоп (GMT) и Римский космический телескоп Нэнси Грейс, смогут проводить аналогичные прямые исследования экзопланет.

Эти приборы позволят обеспечить беспрецедентный уровень описания экзопланет, к чему экзопланетные исследования движутся в последние годы. При наличии более 4000 подтвержденных экзопланет, доступных для изучения, астрономы больше не сосредоточены исключительно на поиске перспективных кандидатов для изучения. На данном этапе речь идет о том, чтобы выяснить, кто из этих кандидатов отвечает требованиям жизни.

Вопрос «есть ли жизнь на Марсе?» сменился на нетерпеливое «Где же эта жизнь есть?» А мы знаем, где она есть: в доменной зоне .life