Учёные смоделировали Землю без жизни и выяснили, что океаны могли существовать миллиарды лет
Американские исследователи создали компьютерную модель Земли, на которой никогда не возникала жизнь, и обнаружили неожиданный результат: планета могла сохранять жидкую воду и подходящую температуру поверхности на протяжении миллиардов лет. Расчёты показали, что для поддержания относительно стабильного климата необязательно присутствие живых организмов. Это открытие поможет астрономам точнее отличать потенциально обитаемые экзопланеты от миров, на которых действительно существует жизнь.
Исследование провели специалисты Вашингтонского университета под руководством астробиолога Саманты Гилберт-Янизек. Учёные разработали модель, учитывающую взаимодействие ядра, мантии, земной коры, океанов и атмосферы без участия биологических процессов.
Компьютерный эксперимент охватывал почти пять миллиардов лет эволюции — от ранней Земли до эпохи, наступающей примерно через 500 миллионов лет после настоящего времени. Исследователи отслеживали 19 физических и химических характеристик планеты, включая температуру поверхности, тепловой поток из недр и химический состав океанов. Модель удалось согласовать с основными наблюдаемыми параметрами Земли до промышленной эпохи.
Главный результат связан с естественным механизмом регулирования климата — карбонатно-силикатным циклом. Вулканическая деятельность постепенно выбрасывает углекислый газ в атмосферу, где он усиливает парниковый эффект. Одновременно выветривание горных пород связывает часть углерода, который затем переносится в океаны и участвует в образовании осадочных минералов. Соотношение этих процессов помогает поддерживать температуру в пределах, допускающих существование жидкой воды.
Согласно расчётам, такой механизм мог работать и без живых организмов. За последние 4,5 миллиарда лет светимость Солнца увеличилась примерно на 30%, однако в виртуальной модели естественные геохимические процессы компенсировали изменение солнечного нагрева. В результате океаны сохранялись, а температура поверхности оставалась пригодной для существования жидкой воды.
При этом атмосфера безжизненной Земли существенно отличалась бы от современной. В ней практически отсутствовал бы свободный кислород, накопление которого на нашей планете связано прежде всего с фотосинтезом. Изменилось бы и содержание других газов, включая озон и метан. Таким образом, планета могла оставаться потенциально пригодной для жизни, но не иметь признаков существования биосферы.
Полученные результаты имеют особое значение для поиска внеземной жизни. Современные телескопы позволяют исследовать состав атмосфер далёких планет по особенностям проходящего через них или отражённого света. Однако наличие воды, углекислого газа и умеренной температуры ещё не доказывает существование организмов. Новая модель поможет определять, какие атмосферные характеристики могут возникать исключительно благодаря геологическим и химическим процессам.
В дальнейшем исследователи рассчитывают использовать эти расчёты при подготовке наблюдений будущей космической обсерватории Habitable Worlds Observatory. Её планируют создать для прямого изучения землеподобных экзопланет и поиска возможных биологических признаков в их атмосферах.
Авторы подчёркивают, что результаты не опровергают гипотезу Геи, согласно которой живые организмы участвуют в поддержании устойчивых условий на Земле. Модель содержит упрощения, касающиеся тектоники плит, химии океанов и атмосферных процессов. В частности, учёным ещё предстоит проверить, насколько эффективно без участия организмов мог бы происходить длительный обмен углеродом между океаном и горными породами.
Результаты исследования в журнале The Planetary Science Journal.