Tragom zvezda

Nestabilnost atmosfere i njihov uticaj na mogućnost razvoja života

Broj nastanjivih planeta ne ograničava samo evolucija matične zvezde. Značajne nestabilnosti planetarne atmosfere koje su uzrokovane hemijskim i biološkim procesima koji su zavisni od protoka vremena takođe utiču na uslove za život na planetama. U tom smislu nepovratna glacijacija i ciklični efekat staklene bašte predstavljaju potencijalne opasnosti koje mogu ugroziti opstanak života. Da bi život opstao sve do stadijuma na kome se javlja inteligencija ne sme doći ni do jednog od ovih procesa. Ozbiljne klimatske promene koje su uzrokovane velikom varijacijom ose rotacije, koja je posledica gravitacionih interakcija među planetama, predstavlja još jednu nedavno otkrivenu opasnost.

Efekat staklene bašte

Efekat staklena bašte

Nakon što se formirala Zemaljska planeta, njena atmosfera se stvara zahvaljujući telima koja udaraju u njenu površinu, kao i isparavanjem gasova iz gornjeg sloja omotača putem vulkana i fumarola koji proizvode gasove kao što su azot, ugljen dioksid, metan i vodena para. Ugljen dioksid, metan i voda jesu gasovi staklene bašte zbog toga što apsorbuju infracrvenu svetlost. Pošto je površina Zemlje izložena svetlosti sa Sunca koja ima maksimum spektralnog zračenja na 500 nm, njena površina se zagreva i zrači u infracrvenom spektru. Pri površinskim temperaturama na Zemlji od 20 C ovo podrazumeva talasnu dužinu od 100 μm. Međutim, infracrvena svetlost, koja se lako apsorbuje u atmosferi, uzrokuje vibracije i rotacije molekula koji sačinjavaju gasove staklene bašte. Ovo dovodi do toga da Sunčeva energija ostaje zarobljena u atmosferi, što podiže temperaturu. Taj se efekat naziva efektom staklene bašte zato što opisuje ono što se dešava u stakleniku u kome vidljiva svetlost ulazi kroz stakleni krov i zidove, dok infracrveno zračenje, koje se pri tome stvara (toplota), ostaje zarobljeno unutar staklenika usled toga što staklo ne propušta infracrvenu svetlost.

Ugljenično silikatni ciklus

Ugljen dioksid u atmosferi Zemlje može lako da se razloži s obzirom da ona poseduje velike količine vode. Ovaj gas pri tome formira ugljene kiseline : CO2+H2O⇢H2CO3. Ove kiseline tope silikatne stene pri čemu nastaje kalcijum karbonat koji se taloži u čvrstom stanju. Ovim procesom velike količine ugljen dioksida napuštaju atmosferu i talože se u obliku kalcijum karbonata na okeanskom dnu. Na ovaj način će sav ugljenik biti uklonjen iz atmosfere za oko 400 miliona godina pošto ne postoji mogućnost da se atmosferski CO2 obnavlja. Aktivnost tektonskih ploča omogućava obnavljanje CO2 zato što prilikom njihovog kretanja okeansko dno zajedno sa naslagama karbonata tone u Zemljin omotač, gde se zagreva i lomi pri čemu se oslobađa ugljen dioksid koji putem vulkanskih erupcija ponovo dospeva u atmosferu. Ovaj kružni proces se naziva ugljenično silikatni ciklus. On primarno zavisi od raspoložive količine tekuće vode. Zajedno sa biološkim ciklusom pri kome biološki organizmi u procesu fotosinteze koriste ugljen dioksid iz atmosfere nakon čega se on u nju vraća putem disanja i sagorevanja, ugljenično silikatni ciklus reguliše količinu ugljen dioksida u atmosferi i samim tim određuje stepen efekta staklene bašte. Pomenuti ciklus strogo zavisi od temperature jer se intezitet ispiranja značajno smanjuje pri niskim vrednostima. Dugi periodi hladne klime usled toga izazivaju porast količine ugljen dioksida u atmosferi usled manje stope formiranja kalcijum karbonata, što će za uzvrat ubrzati proces staklene bašte i porast temperature. Shodno tome, ugljenično silikatni ciklus se ponaša kao termostat.

Ciklični efekat staklene bašte

Razmotrimo sada planetu koja se nalazi mnogo bliže Suncu i na kojoj površinske tempaerature se nikada ne spuštaju ispod 100 C , usled čega na njoj voda ne može da postoji u tečnom stanju. Na takvoj planeti se nikada ne dešava erozija stena, tako da ni količina ugljen dioksida ne može da se smanji putem formiranja karbonata. Naprotiv, što se više ugljen dioksida akumulira u atmosferi putem isparavanja, efekat staklene bašte je intezivniji, a temperatura viša.

Površina Venere, otelotvorenje pakla

Ovaj efekat, u kome se pojedinačni procesi međusobno pojačavaju, što za posledicu ima porast temperature naziva se ciklični efekat staklene bašte. Venera je najverovatnije postala žrtva takvog efekta, koji je doveo do toga da ta planeta danas ima površinsku temperaturu od 480 stepeni C i veoma gustu atmosferu koja se sastoji od ugljen dioksida. Iako je Venera na kraju doživela pomenutu sudbinu, smatra se da je u ranom Sunčevom sistemu ova planeta, usled daleko slabijeg Sunčevog zračenja, ne samo imala mnogo niže temperature, već je posedovala i tečnu vodu u količini koja je odgovarala okeanima na Zemlji. Ova voda je nestala kao posledica efekta koji se naziva vlažni efekat staklene bašte. Kada površinska temperatura na planeti poraste usled porasta inteziteta Sunčevog zračenja, dolazi do zagrevanja i isparavanja okeana pri čemu velike količine vodene pare uvećavaju prisustvo vode u gornjim slojevima atmosfere, odnosno u troposferi i stratosferi. U stratosferi se molekuli H2O dele usled dejstva UV zračenja nakon čega vodonik napušta atmosferu. Ovaj proces, u toku koga se gube velike količine vode, naziva se fotoliza vode. Pomenuti proces koji konačno dovodi do isparavanja okeana uslovljava da ciklični efekat staklene bašte, koji zavisi od ugljen dioksida na kraju postane dominantan. Kasting je sa svojim saradnicima (1993) izveo proračun koji je ukazao na to da ovaj proces počinje kada površinske temperature u globalu dostignu 67o C. Autori na osnovu ovih temperatura i današnjeg fluksa zračenja procenjuju da je trenutna udaljenost granice nastanjive zone od Sunca 0.95 AJ, što je mnogo dalje od 0.7 AJ. Ova korekcija udaljenosti unutrašnje granice nastanjive zone dozvoljava da Sunčev sjaj poraste za još samo 11% sve dok unutrašnja granica ne dostigne orbitu Zemlje kada će nastupiti kriza uzazvana vlažnim efektom staklene bašte. Otuda sledi da će Zemlja biti nastanjiva još oko milijardu godina.

Nepovratna glacijacija

Međutim, ovo nije jedina nestabilnost koja ugrožava nastanjivost planete. Jedna druga opasnost se zove albedo, tj, stepen refleksije površine. Oblaci i sneg imaju visok, stene nizak, a okeani veoma nizak albeo. Pretpostavimo da se slučajno na datoj tački na Zemljinoj površini temperature spuste dovoljno da počne taloženje leda. Kako led ima veoma visok albedo, veći deo Sunčevog zračenja se reflektuje natrag u svemir što posledično smanjuje temperaturu u datom područiju. Osim toga, usled emisije infracrvenog zračenja data oblast gubi energiju, što snižava površinske temperature, a to dovodi do taloženja sve većih količina leda. Ovo uvećava površinu područija koje reflektuje Sunčevu svetlost što dodatno snižava temperaturu i smanjuje zagrevanje tako da se ovaj proces nastavlja u vidu ciklusa. Takav nestabilni proces u principu može da traje sve dok se čitava površina planete ne zamrzne.

Severni pol Marsa

Ledeni pokrivač koji se nalazi na polovima doveo bi do takvog procesa da nije snažnih cirkulacija u atmosferi, okeanskih struja koje potiču iz toplijih regiona planete kao i tokova toplote iz omotača koje predstavljaju protivtežu ovom procesu. Međutim, u slučaju planeta na kojima su temperature najtoplijih područja neznatno iznad tačke smrzavanja, ovaj globalni protok toplote može da u nekom periodu istorije planete postane nedovoljan što bi dovelo do potpunog zamrzavanja. Smatra se da se ovaj efekat, koji se naziva nepovratna glacijacija, dogodio na Marsu. Ovo određuje spoljašnju granicu nastanjive zone s obzirom da temperatura atmosfere zavisi od inteziteta solarnog fluksa. Potpuna glacijacija koja nastaje kao rezultat ugljenično silikatnog ciklusa bi mogla u principu da se spreči ili čak i preokrene putem vulkanskih erupcija koje dovode do pojačanog efekta staklene bašte usled porasta kocentracije ugljen dioksida. Međutim, oblaci koji su bogati ugljen dioksidom i koji svojim visokim albedom predstavljaju protivtežu efektu staklene bašte mogu ovo povećanje temperature da zaustave. Na osnovu ovoga sledi da istinsku granicu nastanjive zone predstavlja faza u kojoj se formira oblak ugljen dioksida. Danas se spoljna granica zone koja je pogodna za život nalazi na rastojanju od 1.67 AJ. Međutim, takvo otopljavanje koje uzrokuje efekat staklene bašte i koje bi moglo spasiti živi svet zavisi od aktivnosti tektonskih ploča, tj, zavisi od toplotne konvekcije koja se odvija u unutrašnjosti planete. Konačno, ova toplotna konvekcija strogo zavisi od mase planete i od temperature koja vlada u njenoj unutrašnjosti. Nepovratna glacijacija se očigledno dogodila na Marsu jer ta planeta ima samo jednu desetinu mase Zemlje. Usled toga Crvena planeta raspolaže sa daleko manjom količinom akumulirane toplote.

Gravitaciono dejstvo Jupitera, koje je dovelo do toga da spoljne Zemljolike planete imaju malu masu, naročito je delovalo na lanetezimale od kojih se formirao Mars. Zbog tako male mase Mars se mnogo brže hladio nego Zemlja, a prestanak vuklanske aktivnosti koji se dogodio pre nekoliko milijardi godina zaustavio je obnavljanje gasova staklene bašte. Kako danas na Marsu nema globalnog ledenog pokrivača postavlja se pitanje na koji način su nestale te velike količine leda. Po svemu sudeći ovo se takođe dogodilo kao posledica male mase Marsa kao i procesa fotolize vode koja je bila izložena dejstvu UV svetlsti, usled koje je vodonik iz raspadnutih molekula vode lako se oslobađao u svemir. Osim toga, mala masa je uzrokovala daleko manju sedimentaciju gvožđa u jezgru planete u vreme njegovog formiranja, što je dovelo do toga da veće količine gvožđa ostanu na površini i u spojašnjem Marsovom omotaču. Kiseonik, kao preostali proizvod fotolize, se potrošio prilikom oksidacije gvožđa u Fe2O3 koje predstavlja rđu. Mars danas ima svoju prepoznatljivu crvenu boju upravo zahvaljujući ovom procesu putem koga su najverovatnije nestale velike količine leda što se nastavilo sve do stadijuma u kome je tlo zaštitilo led od daljeg razlaganja tako što je blokiralo UV zračenje. Misije Mars Odisej i Mars Ekspres, otkrile su nataložene slojeve leda ispod njegove površine pomoću radara i spektrometara gama zračenja.

RSS
Follow by Email
Facebook
Twitter