Десятилетиями астрономы охотятся за похожими на Землю планетами, которые находятся за пределами Солнечной системы. Именно на таких мирах ученые рассчитывают найти жизнь, по крайней мере, известную нам форму. Главный критерий — нахождение объекта в зоне обитаемости — на таком расстоянии от родительской звезды, на котором планета получает необходимое количество тепла, чтобы вода на ее поверхности не превращалась в лед, а существовала в жидком состоянии.

Жидкая вода — основа всей известной нам биологии. Открытие тысяч экзопланет, некоторые из которых обнаружили в таких зонах, вселяло надежду. Однако наша собственная планетная система подсказывала, что картина с зоной обитаемости намного сложнее. 

Венера, почти идентична Земле по размеру и массе, вращается на внутреннем краю обитаемой зоны. Но вместо океанов и жизни ее поверхность раскалена до 460 градусов Цельсия, а атмосфера — ядовитый суп из углекислого газа под чудовищным давлением. 

Марс, меньший сосед на внешнем краю зоны, сегодня представляет собой холодную пустыню с разреженной атмосферой, хотя, последние данные указывают, что на его поверхности когда-то текли реки. Почему у планет, находящихся в одной зоне обитаемости, такие разные судьбы? 

Ответ, как выясняется, кроется не только в расстоянии до звезды, но и в критическом количестве воды, запускающей жизненно важный геологический термостат — углеродный цикл. 

Статья по теме: Планеты с биосферой, похожей на биосферу Земли, в Галактике редкость

На Земле дожди растворяют атмосферный углекислый газ, образуя слабую угольную кислоту. Эта вода, стекая, вступает в реакцию с силикатными горными породами (процесс выветривания). В результате углерод связывается в карбонатные минералы (как известняк) и надолго «хоронится» в земной коре и океанических отложениях. Вулканы позже возвращают часть этого углерода обратно в атмосферу. Этот цикл миллионы лет поддерживает температуру Земли в относительно узком, пригодном для жизни диапазоне.

Команда американских ученых под руководством Хаскелл Уайт-Джанелла (Haskelle White-Gianella) из Вашингтонского университета задалась вопросом: что произойдет, если воды на планете земного типа будет недостаточно для эффективной работы этого углеродного термостата? 

Чтобы ответить на вопрос, исследователи провели масштабное компьютерное моделирование. Уайт-Джанелла и ее коллеги смоделировали почти 10 тысяч климатических сценариев для планет, похожих на Землю. Каждая модель представляла планету размером с Землю, которая получала столько же звездного света. Ключевой переменной было количество жидкой воды на ее поверхности. То есть в каждом варианте ученые меняли количество воды на поверхности и отслеживали, как это влияет на уровень углекислого газа в атмосфере и температуру.

Статья по теме: Ученые подсчитали количество планет-гигантов в Млечном Пути

Результат оказался однозначным: если на планете меньше 20 процентов от земных запасов воды, она превращается в ад. Именно такой минимум, по расчетам ученых, нужен планете, чтобы климат оставался стабильным, а уровень углекислого газа не выходил из-под контроля. Ниже этого порога дождевая вода не может эффективно запускать химические реакции, которые «запирают» углерод в горных породах. В результате CO₂ накапливается в атмосфере и вызывает перегрев.

Причина связана именно с нарушением углеродного цикла. Вода, выпадающая в виде осадков — дождя — необходима для химического выветривания силикатных пород. Этот процесс — главный природный способ удаления углекислого газа из атмосферы и его долговременного хранения в виде карбонатных минералов в недрах. Без достаточного количества дождей выветривание резко замедляется или прекращается. Углекислый газ, непрерывно поступающий из недр планеты через вулканическую деятельность, перестает эффективно поглощаться. Он начинает накапливаться в атмосфере.

Этот избыток CO2 запускает мощный парниковый эффект. Атмосфера все хуже пропускает в космос инфракрасное излучение (тепло) с поверхности планеты. Температура начинает стремительно расти. Моделирование показало, что в таких условиях температура поверхности может легко превысить отметку в 126 градусов. Это смертельный порог. Ни одна из известных форм жизни на Земле, даже самые экстремофильные бактерии, живущие в кипящих источниках или кислотных озерах, не способна выжить и размножаться при таких условиях. Планета переступает точку невозврата, превращаясь разогретый мир.

Статья по теме: Землеподобная планета TOI-700 d. Насколько она пригодна для жизни?

Эти выводы кардинально меняют критерии поиска обитаемых миров. Оказывается, нельзя ориентироваться только на расстояние до звезды — нужно понимать геологическую историю планеты и оценивать ее гидрологический баланс. Иными словами, зона обитаемости сама по себе практически больше ничего не значит.

Один из самых интересных аспектов исследования — объяснение того, почему Венера стала непригодной для жизни. Традиционно считалось, что главная причина превращения Венеры в адскую планету — постепенное увеличение яркости Солнца примерно на 25–30 процентов со времен формирования Солнечной системы. Это, безусловно, сыграло роль, сместив обитаемую зону дальше от звезды. Однако одного такого фактора, по мнению авторов научной работы, недостаточно для полного объяснения чудовищного парникового эффекта и потери воды на Венере.

Уайт-Джанелла и ее коллеги применили свою модель к условиям Венеры, в том числе к уровню солнечного излучения, которое она получает. Оказалось, что даже если бы у нее изначально было столько воды, сколько на Земле, этого могло не хватить для поддержания стабильного климата и сдерживания накопления углекислого газа в атмосфере. То есть — не хватить для того, чтобы планета оставалась пригодной для жизни.

Недостаточный уровень осадков (дождей) мог помешать поглощению вулканического CO2. Углекислый газ начинал накапливаться, температура росла, испаряя океаны еще быстрее. Потеря воды лишала планету главного инструмента регулирования CO2, замыкая порочный круг и обрекая ее на нынешнее состояние. В результате — перегрев, потеря атмосферы и полная непригодность для жизни.

Статья по теме: Ученые объяснили, почему не стоит искать внеземную жизнь там, где ее рассчитывали найти

Ученые из других институтов поддержали эти выводы, но указали на то, что ситуация может быть сложнее. Канадский астроном Бенджамин Тутоло из Университета Калгари напомнил о Марсе. Там произошло обратное: воды хватало для активного связывания углекислого газа и образования карбонатных минералов в почве. Однако из-за малой массы планеты и слабой гравитации Марс не смог удержать плотную атмосферу. В результате атмосфера Марса стала слишком тонкой, температура упала, и планета остыла.

Выводы команды Уайт-Джанеллы касаются планет, аналогичных Земле по размерам и получаемому свету. Ученый признала, что для планет вроде Марса условия могут отличаться. Но главный вывод остается — вода играет ключевую роль в климатической устойчивости, и ее объем критичен.

Результаты своей работы ученые представили на геохимической конференции Гольдшмидта в Праге (Чехия).