Теплое столкновение

Столкновения между молекулами в атмосфере молодой Земли могли стать причиной того, что наша планета сумела не замерзнуть миллиарды лет назад, когда Солнце было намного тусклее, чем сейчас, и именно за счет этого на Земле смогла зародиться жизнь. Такой же процесс может иметь место на далеких мирах, лежащих вне зоны обитания своей планеты и потому расцениваемых нами как непригодных для поддержания похожей на земную жизни.

Солнце, неумолимо находящееся на пути к своей смерти и агонии красного гиганта, готовится к этому явлению, постепенно повышая свою температуру. Молодость Земли прошла под лучами светила, дававшего на 30% меньше тепла. Однако в течение первых двух миллиардов лет истории нашей планеты геологические находки указывают на теплую планету. Конечно, не такую теплую, как сейчас, когда ледяными шапками покрыты лишь полюса. На молодой Земле ситуация была обратная – лишь небольшая часть поверхности не была скрыта под вечной мерзлотой, однако и этих оазисов теплоты с жидкой водой было достаточно, чтобы жизнь могла появиться на планете.

Для решения этой загадки множество специалистов предлагали различные объяснения. Возможно, состав атмосферы молодой Земли был другим, в нем было много парниковых газов, которые помогали ей удерживать больше тепла. Возможно, поверхность планеты могла поглощать больше солнечного тепла, а может, Солнце и вовсе не было таким уж тусклым. Но все эти догадки имеют множество слабых мест. Во всяком случае, так считает Робин Водсворт, сотрудник Чикагского университета, предложивший новую гипотезу, объясняющую теплоту Земли под тусклым светом Солнца. Вместо со своим коллегой Раймоном Пьерхумбером он разработал модель поведения атмосферы, в которой столкновения атомов водорода и азота помогли захватить больше солнечного света и нагреть планету.

Нагрев атмосферы планеты происходит за счет способности молекул к поглощению инфракрасного излучения нашей звезды. Парниковые газы при этом намного эффективнее поглощают тепло, тогда как азот и водород обычно могут вобрать в себя очень мало тепла. Однако в достаточно плотной атмосфере молекулы азота и водорода, сталкиваясь, могут слипаться, образуя новую молекулу. Эта молекула уже может поглощать инфракрасное излучение не менее эффективно, чем привычные парниковые газы. К сожалению, принятая точка зрения на прошлое земной атмосферы говорит о том, что водорода в ней было немного. Сейчас водорода практически нету в атмосфере нашей планеты, и потому логично предположить, что так было всегда. Мало кому могло прийти в голову отвести ему роль одного из главных нагревателей нашей молодой планеты.

Однако недавние исследования пошатнули гипотезу о недостатке водорода в атмосфере молодой Земли, выдвинув предположение о том, что до 30% ее состава приходилось именно на этот газ. Впрочем, для потепления молодой планеты не нужно было такого количества. Если атмосфера Земли состояла на одну десятую из водорода, то температура поверхности поднялась бы на 10-15 градусов. Такая идея имеет влияние не только на историю климата и геологии планеты, но и на развитие на ней жизни. Потепление за счет азота и водорода изменяет историю развития биосферы, так как совсем не обязательно, чтобы на молодой Земле доминировали микробы, поглощающие водород и производящие метан, так как теперь нет необходимости искать источник парникового метана, которые позволил бы подогреть Землю. Достаточно оставить в атмосфере водород, а отнюдь не поглощать его. Принятый взгляд имеет проблемы, так как в условиях молодой Земли метан был малоэффективным парниковым газом, и не имей его наша атмосфера, заметного похолодания из-за этого не случилось бы. Тем не менее, если микробы, поглощающие водород и производящие метан существовали, то возникает проблема, а не решение – похолодание из-за замены эффективного в паре с азотом водорода на мало полезный метан. Эта проблема снимается, если водорода было больше, чем 10%.

Эффект потепления, вызываемый комбинациями газов, которые по отдельности не способны согреть планету, имеет место и для экзопланет. Понятие зоны обитания может быть расширено и стать характеристикой не только звезды, но и каждой конкретной планеты. В зависимости от наличия парниковых газов, внутреннего запаса тепла и действия приливных сил планете может понадобиться больше или меньше тепла чтобы поддерживать на поверхности жидкую воду, не давая ей ни замерзнуть, ни испариться. Атмосферы сверхземель могут оказаться особенно богаты водородом и азотом, делая эти гигантские, но все же твердые миры, хорошей целью для поисков признаков жизни.