ASTROBIOLOGIA

ASTROBIOLOGIA
Wykład 7 – 8
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
1
OKOŁOGWIAZDOWE STREFY HABITACYJNE
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
2
OKOŁOGWIAZDOWE STREFY HABITACYJNE
Okołogwiazdowa strefa habitacyjna (HZ – habitable zone; ekostrefa) jest definiowana jako
sferyczna strefa wokół gwiazdy, w której planeta ma odpowiednią temperaturę (T) i ciśnienie
(P) w atmosferze aby utrzymać wodę w stanie ciekłym na powierzchni; jej położenie i
szerokość zależą od własności gwiazdy i planety.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
3
OKOŁOGWIAZDOWE STREFY HABITACYJNE
Gwiazdowe czynniki wpływające na
położenie strefy habitacyjnej:
•
Parametry fundamentalne gwiazdy (M,
R, L);
•
Typ widmowy gwiazdy;
•
Zaawansowanie ewolucyjne gwiazdy –
ciągła i stabilna strefa habitacyjna;
•
Zmienność gwiazdy (pulsacje,
aktywność gwiazdowa, wyrzuty
materii, zmiany ewolucyjne itp.);
•
Położenie gwiazdy – sąsiedztwo
innych gwiazd;
•
Metaliczność gwiazdy.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
4
STREFA HABITACYJNA –
NAJPROSTSZY PRZYPADEK
Strefa habitacyjna zależna od własności gwiazdy i od odległości planety od gwiazdy
centralnej:
•
Położenie strefy: tam, gdzie temperatura jest w granicach od 0 do 100 stopni C (273 –
373 stopni K);
•
𝐿 = 4𝜋𝑟 2 𝜎𝑇𝑒4 (𝐿 – moc promieniowania gwiazdy; 𝑟 – promień gwiazdy; 𝑇𝑒 –
temperatura efektywna gwiazdy);
•
Ilość promieniowania, które obiekt otrzymuje od gwiazdy centralnej:
𝐿
𝑃𝑖𝑛 = 1 − 𝐴𝑏 4𝜋𝑑 2 𝜋𝑅 2 (𝐴𝑏 – albedo Bonda – stosunek całkowitego promieniowania
odbitego lub rozproszonego przez obiekt do całkowitego padającego promieniowania, 𝑅
– promień planety, 𝑑 – odległość planety od gwiazdy);
•
Ilość promieniowania emitowanego przez obiekt:
𝑃𝑜𝑢𝑡 = 4𝜋𝑅 2 𝜖𝜎𝑇 4 (𝑇 – temperatura planety (w odległości 𝑑), 𝜖 – emisyjność, zależy
od długości fali).
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
5
STREFA HABITACYJNA –
NAJPROSTSZY PRZYPADEK
Strefa habitacyjna zależna od własności
gwiazdy i od odległości planety od
gwiazdy centralnej:
•
Równowaga: 𝑃𝑖𝑛 = 𝑃𝑜𝑢𝑡
•
Temperatura równowagowa
(temperatura planety, przy założeniu, że
ma ona własności CDC, atmosfera nie
jest brana pod uwagę, albedo jest = 0,
emisyjność =1):
𝑇𝑒𝑞 =
•
1/4
1−𝐴𝑏
𝐿
4𝜖𝜎 4𝜋𝑑 2
Odległość od gwiazdy:
𝑑𝑖𝑛,𝑜𝑢𝑡 =
EN, ASTROBIOLOGIA
1−𝐴𝑏 𝐿
4
16𝜋𝜖𝜎 𝑇𝑒𝑞
1/2
http://astro.unl.edu/naap/habitablezones/animations/
stellarHabitableZone.html
2015-02-23
6
OKOŁOGWIAZDOWE
STREFY HABITACYJNE
Gdy weźmiemy pod uwagę albedo i efekt
cieplarniany (czyli własności powierzchni i
warunki atmosferyczne planety) – otrzymujemy
inne odległości.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
7
OKOŁOGWIAZDOWE STREFY HABITACYJNE
•
Fundamentalne parametry gwiazdy:
moc promieniowania, masa, promień;
pozostałe (np. atmosferyczne:
temperatura efektywna,
przyspieszenie grawitacyjne, skład
chemiczny (…);
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
8
OKOŁOGWIAZDOWE STREFY HABITACYJNE
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
9
OKOŁOGWIAZDOWE STREFY HABITACYJNE
Strefa habitacyjna zależna od własności gwiazdy i od odległości planety od gwiazdy
centralnej:
• Równowaga: 𝑃𝑖𝑛 = 𝑃𝑜𝑢𝑡
• Odległość od gwiazdy: 𝑑𝑖𝑛,𝑜𝑢𝑡 =
EN, ASTROBIOLOGIA
1−𝐴𝑏 𝐿
4
16𝜋𝜖𝜎 𝑇𝑒𝑞
1/2
2015-02-23
10
OKOŁOGWIAZDOWE STREFY HABITACYJNE
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
11
KLASYFIKACJA WIDMOWA GWIAZD
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
12
OKOŁOGWIAZDOWE STREFY HABITACYJNE
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
13
OKOŁOGWIAZDOWE STREFY HABITACYJNE
•
Najstarsza znana ziemska materia
pochodzenia biogenicznego datowana
jest na 3,7 mld lat (grafit w
przeobrażonych skałach osadowych z
zachodniej Grenlandii, 2014) i ~3,5
mld lat (piaskowiec znaleziony w
Australii Zachodniej, 2013);
•
Wiek Ziemi szacowany jest na 4,5
miliarda lat.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
14
OKOŁOGWIAZDOWE STREFY HABITACYJNE
•
Najstarsza znana ziemska materia
pochodzenia biogenicznego datowana
jest na 3,7 mld lat (grafit w
przeobrażonych skałach osadowych z
zachodniej Grenlandii, 2014) i 3,5 mld lat
(piaskowiec znaleziony w Australii
Zachodniej, 2013);
•
Kambryjska Eksplozja − nagłe pojawienie
się ogromnej liczby różnych form
skamieniałości złożonych form
organizmów żywych w warstwach
geologicznych na początku okresu
kambru (od ~543 mln do ~530 mln lat
temu).
•
Wiek Ziemi szacowany jest na 4,5
miliarda lat.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
15
EWOLUCJA SŁOŃCA
Ewolucja Słońca ma znaczący wpływ na HZ Układu Słonecznego; za około 1 mld lat Ziemia
przekroczy granicę wyznaczoną przez nieograniczony efekt cieplarniany.
CIĄGŁE OKOŁOGWIAZDOWE
STREFY HABITACYJNE
•
Klasyczna HZ to obszar wokół
gwiazdy, w którym warunki fizyczne na
planecie umożliwiają istnienie wody w
stanie ciekłym;
•
Jasność gwiazdy z wiekiem rośnie,
czyli HZ się oddala;
•
Przy odpowiedniej odległości planeta
będzie pozostawać w HZ dostatecznie
długo (miliardy lat);
•
Ciągła strefa habitacyjna (CHZ) –
liczymy od momentu powstania
gwiazdy (Słońca) do chwili obecnej;
OKOŁOGWIAZDOWE STREFY HABITACYJNE
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
18
OKOŁOGWIAZDOWE STREFY HABITACYJNE
•
Gwiazdy masywniejsze od Słońca (typy O, B, A, wczesne F) – żyją za krótko i są zbyt
silnym źródłem UV;
•
Gwiazdy małomasywne (typ M) mają HZ bardzo blisko siebie – planeta narażona jest na
rotację synchroniczną i promieniowanie związane z aktywnością rozbłyskową;
•
Najodpowiedniejsze będą gwiazdy typów F, G, K (masy od 1.7 do 0.5 M Słońca); takie
gwiazdy stanowią niecałe 15% gwiazd w Galaktyce;
gwiazdy ciągu głównego
typ widmowy
temperatura
promień
względem
masa
Słońca
jasność
czas życia [mln lat]
obfitość
OKOŁOGWIAZDOWE STREFY HABITACYJNE
Ważna informacja stąd wynikająca: Słońce nie jest przeciętną gwiazdą!
 ponad 90% gwiazd jest mniej masywna,
 około 2/3 gwiazd należy do układów podwójnych/wielokrotnych.
OKOŁOGWIAZDOWE STREFY HABITACYJNE
•
Układy podwójne/wielokrotne – tak, o ile możliwe są stabilne orbity planet;
•
Gwiazdy zmienne – nie ze względu na niestabilny strumień promieniowania;
•
Gromady otwarte – nie bo są zbyt młode;
•
Gromady kuliste – nie;
PLANETY DO ZAMIESZKANIA
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
22
ODPOWIEDNIA PLANETA
Cechy:
•
Odległość planety od gwiazdy centralnej
– położenie w strefie habitacyjnej gwiazdy
(temperatura, woda, atmosfera); odległość –
oddziaływania pływowe i rotacja
synchroniczna;
•
Orbita planety – kołowa, eliptyczna;
•
Masa planety – planety typu ziemskiego i
superziemie – budowa wewnętrzna,
powierzchnia, geologia, pole magnetyczne,
utrzymanie atmosfery;
•
Rotacja planety – cykl dobowy dzień/noc –
księżyc;
•
Atmosfera planety – obecność i skład
(gazy cieplarniane i inne).
http://phl.upr.edu/projects/habitable-exoplanetscatalog/catalog
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
23
DEFINICJE STREFY
HABITACYJNEJ
Wewnętrzna granica:
• 0.75 AU – „wczesna Wenus” – wartość
wynikająca z faktu, że na powierzchni
Wenus nie było wody w stanie ciekłym co
najmniej przez pierwszy mld lat.
• 0.84 AU – zwykły efekt cieplarniany
• 0.95 AU – „wilgotny efekt cieplarniany”
Wilgotny efekt cieplarniany (moist
greenhouse effect) – stopniowa ucieczka
pary wodnej do górnych warstw atmosfery
(stratosfera) z powodu parowania oceanów,
tam cząsteczki H 2O są rozbijane na wodór i
tlen i utrata wodoru z atmosfery; na
powierzchni planety CO 2 jest uwalniany z
odkrytych skał węglowych.
DEFINICJE STREFY
HABITACYJNEJ
Wewnętrzna granica:
• 0.75 AU – „wczesna Wenus” – wartość
wynikająca z faktu, że na powierzchni
Wenus nie było wody w stanie ciekłym co
najmniej przez pierwszy mld lat.
• 0.84 AU – zwykły efekt cieplarniany
• 0.95 AU – „wilgotny efekt cieplarniany”
Nieograniczony efekt cieplarniany
(runaway greenhause effect) – proces,
podczas którego dodatnie sprzężenie zwrotne
pomiędzy temperaturą powierzchniową a
nieprzezroczystością atmosfery powoduje
wzrost wydajności efektu cieplarnianego na
planecie, aż do wyparowania oceanów (np.
wczesna historia Wenus).
DEFINICJE STREFY
HABITACYJNEJ
Zewnętrzna granica:
• 1.37 AU – CO2 jest usuwane z atmosfery
(deszcz CO 2); granica pierwszej
kondensacji chmur CO 2, która wzmacnia
albedo planety;
• 1.77 AU – wydajność efektu cieplarnianego;
maksymalny możliwy efekt cieplarniany
spowodowany przez CO 2; na pewnych
odległościach od gwiazdy planeta o
odpowiedniej masie nie będzie
wystarczająco ogrzewana poprzez efekt
cieplarniany (dużo zależy od zawartości
CO2 w atmosferze).
• 1.90 AU – „wczesny Mars”, przybliżenie
oparte na obserwacjach i założeniu, że
Mars miał początkowo ciepły i mokry
klimat.
ODPOWIEDNIA PLANETA
Konserwatywna strefa habitacyjna
– zdefiniowana w granicach
pomiędzy strefą, gdzie zachodzi
„wilgotny efekt cieplarniany” a strefą
pierwszej kondensacji chmur CO 2
(deszcz CO 2).
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
27
ODPOWIEDNIA PLANETA
Optymistyczna strefa habitacyjna
– w granicach pomiędzy strefą
„wczesnej Wenus” (zwykły efekt
cieplarniany) a strefą „wczesnego
Marsa” (mało efektywny efekt
cieplarniany).
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
28
ODPOWIEDNIA PLANETA
http://www.hpcf.upr.edu/~abel/phl/hec_plots/hec_hz.png
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
29
ODPOWIEDNIA PLANETA
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
30
ODPOWIEDNIA PLANETA
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
31
ODPOWIEDNIA PLANETA
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
32
ODPOWIEDNIA PLANETA
• Konserwatywna strefa
habitacyjna –: strefa, w której
małomasywna planeta (jak
Ziemia) może być habitatem;
• Optymistyczna strefa
habitacyjna – lub „szersza
strefa habitacyjna” – planeta
typu super-Ziemia, z silniejszym
efektem cieplarnianym może być
habitatem.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
33
ODPOWIEDNIA PLANETA
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
34
ODPOWIEDNIA ORBITA
Orbita planety powinna mieć małe spłaszczenie –
planeta pozostaje w HZ w ciągu swojego roku;
Gorące wnętrze planety/księżyca może utrzymać
proste formy życia nawet jeśli znajduje się poza
klasyczną HZ;
Ekscentryczność wpływa na zmiany klimatu; zmiany
temperatury – przejścia fazowe płynów na
powierzchni planety – zmiana albedo – zmiana
klimatu;
Duża ekscentryczność – duża różnica promieniowania
(perycentrum, apocentrum) – roczne zmiany
promieniowania;
Okresowe zmiany ekscentryczności – okresowe
zmiany napromieniowania (zależą od grawitacyjnych
perturbacji od innych obiektów w układzie).
ODPOWIEDNIA ORBITA
Planeta na orbicie eliptycznej; półoś wielka
a i ekscentryczność e;
EN, ASTROBIOLOGIA
Średnie roczne temperatury planety na
orbitach o różnych ekscentrycznościach, o
różnych prędkościach rotacji i różnych
półosiach wielkich. Wolna rotacja: stabilny
klimat po około 10 latach.
2015-02-23
36
ODPOWIEDNIA ORBITA
Rozkład temperatury planety w zależności
od długości orbitalnej dla różnych
ekscentryczności. Model planety: 70%
powierzchni to oceany, rozłożenie
oceanów i kontynentów – równomierne.
EN, ASTROBIOLOGIA
Temperatura w zależności od szerokości
geograficznej dla planet na różnych
orbitach (e = 0.6, nachylenie osi rotacji =
23.5, powierzchnia oceanów = 70%,
rotacja = rotacji Ziemi. Planeta
habitacyjna: a =1.025 AU, a > 1.125 AU –
planeta kompletnie zamarznięta.
2015-02-23
37
ODPOWIEDNIA ORBITA
Rozmiary HZ w zależności od
półosi wielkiej oraz
ekscentryczności orbity;
czerwony – całoroczne HZ;
niebieski – brak HZ, kolory
pośrednie – HZ przez część
roku.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
38
ODPOWIEDNIA PLANETA
•
Odległość od gwiazdy – rotacja
synchroniczne; ważna jest rola atmosfery,
klimatu, oceanów, obecność pola
magnetycznego.
•
Związanie pływowe (tidal locking) – stan
równowagi dynamicznej pomiędzy obrotem
planety i orbitalnym momentem pędu.
Planety, które są związane pływowo mogą
zostać synchronicznymi rotatorami.
•
Rotacja synchroniczna – zjawisko
obserwowane w układach dwóch wzajemnie
obiegających się ciał niebieskich polegające
na tym, że okres obrotu jednego z nich
wokół własnej osi jest równy okresowi
obiegu wokół drugiego ciała.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
39
ODPOWIEDNIA PLANETA
Czas zsynchronizowania rotacyjnego – przybliżony czas
potrzebny aby obiekt zaczął być związany pływowo:
𝑡𝑙𝑜𝑐𝑘
𝑤𝑎 6 𝐼𝑄
≈
3𝐺𝑚𝑝2 𝑘2 𝑅 5
3𝐺𝑚𝑝2 𝑘2 𝑅 5 𝑡𝑙𝑜𝑐𝑘
𝑎≈
𝑤𝐼𝑄
1/6
𝑤 – początkowe tempo rotacji
𝑎 – półoś wielka, odległość
𝐼 ≈ 0.4𝑚𝑠 𝑅 2 – moment bezwładności obiektu
𝑄 – funkcja dyssypacji obiektu
𝑚𝑝 - masa gwiazdy
𝑘2 – bezwymiarowy parametr, miara sztywności obiektu
𝑅 – promień obiektu
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
40
ODPOWIEDNIA PLANETA
Pole magnetyczne (mechanizm dynama,
konwekcja w jądrze; rotacja + temperatura
planety);
Pole magnetyczne – ochrona przed
promieniowaniem jonizującym od gwiazdy;
istotne dla przetrwania organizmów
żywych i stabilności atmosfery planety;
Aby planeta posiadała pole
magnetyczne musi spełnić kilka
warunków: 1) musi mieć początkowe pole
magnetyczne; 2) we wnętrzu planety musi
być warstwa w stanie ciekłym,
przewodząca elektrycznie; 3) musi być
źródło energii, które będzie utrzymywać
ten obszar w ruchu.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
41
ODPOWIEDNIA PLANETA
Obecność dużego księżyca (pływy, stabilizacja
nachylenia osi obrotu);
Księżyc Ziemi:
•
Powstanie Księżyca: oddziaływanie
grawitacyjne – spowolnieni rotacji Ziemi i
wydłużenie dnia z 5 do 24 h. Księżyc nadal
spowalnia obrót Ziemi o 0,002 sekundy na 100
lat. Stabilizacja rotacji Ziemi – cykl dzień –
noc;
•
Powstanie Księżyca: nachylenie osi rotacji
Ziemi – występowanie pór roku; zmienne
nachylenie osi rotacji – niestabilność klimatu;
•
Oddziaływanie pływowe: po uformowaniu się
Księżyca: mieszanie wód oceanicznych,
ewolucja;
•
Ochrona przed meteorytami.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
42
ODPOWIEDNIA PLANETA
Tektonika płyt:
• zwiększanie bioróżnorodności
(zmniejszanie podatności na
wymierania) poprzez stymulację
ewolucji organizmów;
• wpływ na globalny klimat poprzez
umożliwienie obiegu gazów
cieplarnianych w cyklu: wulkanizm –
wietrzenie – subdukcja;
• wpływ na globalne pole
magnetyczne poprzez umożliwienie
ruchów konwekcyjnych w ciekłym
wnętrzu planety.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
43
ODPOWIEDNIA PLANETA
Albedo – stosunek ilości promieniowania
odbitego do padającego na daną powierzchnię;
Albedo planety jest funkcją optycznych
własności składników atmosfery (np. chmury,
para wodna, aerozole) i składowych
powierzchni planety (np. lód, oceany, drzewa);
Czynniki atmosferyczne:
1. Chmury i aerozole, które
bezpośrednio odbijają promieniowanie
gwiazdy;
2. Nieprzezroczystość atmosfery, która
ogranicza zakres promieniowania
dochodzący do powierzchni planety;
3. Nieprzezroczystość atmosfery na
zakresy promieniowania, które
wypromieniowuje Ziemia.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
44
ODPOWIEDNIA PLANETA
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
45
ODPOWIEDNIA PLANETA
• Atmosfera – skład chemiczny –
gazy cieplarniane;
• Gazy cieplarniane: para wodna
(H2O), dwutlenek węgla (CO 2),
metan (CH4), podtlenek azotu
(N2O), ozon (O3), freony (CFC);
• Definicje HZ – zależne od
obfitości i zachowania CO 2 i
innych gazów cieplarnianych w
atmosferze;
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
46
ODPOWIEDNIA PLANETA
Ważne(?) cechy planety:
•
odpowiednią ilość metali, w tym: pierwiastków radioaktywnych, węgla i wody
•
obecność atmosfery, oceanów i lądu, magnetosfery
•
odpowiednia wielkość potrzebna do utrzymania atmosfery, wolnego stygnięcia wnętrza i
zróżnicowania topografii
•
obiekt skalisty (planeta, księżyc)
•
odpowiednia budowa wewnętrzna (gęste jądro, częściowo ciekłe, skorupa z lżejszych
pierwiastków)
GWIAZDA CENTRALNA – CZERWONY KARZEŁ
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
48
GWIAZDY TYPU M
– CZERWONE KARŁY
Podstawowe informacje:
•
Temperatury efektywne: 2400 −
3700𝐾
•
Masy: 0.08 − 0.45 𝑀⊙
•
Promienie: ≤ 0.7𝑅⊙
•
Moc promieniowania: ≤ 0.08𝐿⊙
•
Widmo promieniowania: IR; molekuły
(TiO), metale neutralne.
•
Ewolucja;
•
Aktywność i zmienność.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
49
GWIAZDY TYPU M – CZERWONE KARŁY
Ewolucja:
•
Skomplikowane formy życia na Ziemi:
po 4 mld lat od powstania planety;
(czyli w połowie czasu życia Słońca na
ciągu głównym);
•
Czerwone karły: reakcje jądrowe
wolniejsze – czas życia – tryliony lat –
lepiej dla powstania i dla przetrwania
organizmów żywych – ewolucja i
adaptacja).
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
50
GWIAZDY TYPU M – CZERWONE KARŁY
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
51
GWIAZDY TYPU M – CZERWONE KARŁY
Oddziaływania pływowe – rotacja planety
zsynchronizowane z jej obrotem wokół
gwiazdy – 1:1; zależy od masy planety i jej
odległości od gwiazdy;
Orbita ekscentryczna – co ze strefą
habitacyjną?
Rezultat rotacji synchronicznej: planeta
jest zwrócona do gwiazdy tą samą stroną;
Problemy: atmosfera, warunki w
atmosferze (np. temperatura) – czy klimat
odpowiedni by mogło rozwinąć się życie?
Oceany? Pole magnetyczne?
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
52
GWIAZDY TYPU M – CZERWONE KARŁY
EN, ASTROBIOLOGIA
•
Pole magnetyczne (mechanizm
dynama, konwekcja w jądrze; rotacja
+ temperatura planety);
•
Pole magnetyczne – ochrona przed
promieniowaniem jonizującym od
gwiazdy; istotne dla przetrwania
organizmów żywych i stabilności
atmosfery planety;
•
Ewolucja pola magnetycznego:
jądro planety się chłodzi – siła
pola magnetycznego maleje;
magnetosfera zmniejsza się.
2015-02-23
53
GWIAZDY TYPU M – CZERWONE KARŁY
•
Planety rotujące synchronicznie w
małej odległości od gwiazdy – silne
pole magnetyczne jest konieczne do
ochrony przed silnym
promieniowaniem XUV;
•
Super-Ziemie – mogą produkować
pole magnetyczne o odpowiedniej
sile przed długi czas;
•
Sprzężenie pływowe – hamuje
konwekcję – powoduje
zmniejszanie pola
magnetycznego.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
54
GWIAZDY TYPU M
– CZERWONE KARŁY
Rotacja synchroniczna – atmosfera i
klimat:
•
Różnica temperatur na planecie (punkt
podgwiazdowy – ciągle ogrzewany);
•
Woda: para wodna (strona
nasłoneczniona) i w postaci lodu (strona
nie nasłoneczniona);
•
Stałe i silne nasłonecznienie jednej strony
wpływa na wietrzenie zachodzące na
planecie – i wpływa na klimat;
•
Niestabilny klimat – silny efekt
cieplarniany – planeta typu Wenus;
•
Częste i znaczące zmiany klimatu –
warunki nie sprzyjające życiu.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
55
GWIAZDY TYPU M
– CZERWONE KARŁY
•
Skały i minerały wchodzą w reakcje z
gazami atmosferycznym (wietrzenie);
erozja – przyspiesza proces wietrzenia;
•
Jeśli wietrzenie jest równoważone przez
dopływ świeżego gazu do atmosfery
(erupcje wulkanów) – klimat jest stabilny;
•
Proces wzmocnionej podgwiazdowej
niestabilności związanej z wietrzeniem:
nadmierne grzanie – wzrost wietrzenia
wyższe temperatury – silniejsze opady –
wzrost wietrzenia; deszcz – erozja (wzrost
wietrzenia);
•
Proces wietrzenia reguluje klimat Ziemi
(CO2) (długofalowo).
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
56
GWIAZDY TYPU M – CZERWONE KARŁY
• Ciemna strona planety – permanentnie
pozbawiona grzania – atmosfera (jeśli istniała
wcześniej) – będzie gęstniała;
• Jasna strona planety – atmosfera (jeśli istniała)
– ogrzewanie i rozszerzanie;
• Wynik – cyrkulacja atmosfery i silne burze (?);
• Atmosfera – pomaga rozprowadzać ciepło i
wyrównywać temperaturę;
• Ciemna strona – jedyne źródło ciepła – wiatr;
brak wiatru – temperatura spadnie – brak
warunków do życia; na stronie słonecznej
temperatura wzrośnie – efekt taki sam;
• Woda w stanie ciekłym – na granicy (lodowce,
rzeki).
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
57
GWIAZDY TYPU M
– CZERWONE KARŁY
Oceany i transport ciepła:
• Modele ocean + atmosfera: transport
ciepła poprzez ocean – poszerzenie
obszaru płynnej wody – w efekcie –
brak lodu na stronie nocnej;
• Transport ciepła poprzez oceany –
woda w stanie płynnym nawet na
zewnętrznych części HZ, przy małym
stężeniu CO2 w atmosferze (słaby
efekt cieplarniany).
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
58
GWIAZDY TYPU M – CZERWONE KARŁY
Trzy planety o masie 1,5 masy Ziemi i możliwość transportu ciepła poprzez wody oceaniczne.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
59
GWIAZDY TYPU M – CZERWONE KARŁY
Chmury: odbijają światło gwiazdy (chłodzenie planety) lub pochłaniają i re-emitują
cieplną emisję z powierzchni planety (ogrzewanie planety); zwykle dominuje chłodzenie;
Modele cyrkulacji – wpływ chmur na planetę wokół gwiazdy M: obecność chmur
pozwala na warunki na powierzchni odpowiednie dla życia;
Jak powstają chmury? Przypowierzchniowa konwergencja mas powietrza
powoduje konwekcję – większa część dziennej strony planety otoczona
chmurami;
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
60
GWIAZDY TYPU M – CZERWONE KARŁY
Wysokie i niskie chmury mogą pokrywać ~60 i ~80% powierzchni dziennej;
Chmury powodują wzrost albedo – planeta wydajniej odbija promieniowanie
gwiazdy;
Silniejszy strumień od gwiazdy – konwekcja jest silniejsza – więcej chmur –
wzrost albedo; chłodzenie – niższa temperatura planety – stabilizacja;
wewnętrzna granica HZ może być bliżej gwiazdy;
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
61
GWIAZDA CENTRALNA – CZERWONY KARZEŁ
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
62
GWIAZDY TYPU M
– CZERWONE KARŁY
•
Gwiazdy typu M są bardzo aktywne:
plamy mogą pokrywać ~40%
powierzchni gwiazdy przez długi
czas;
•
W tym czasie – spadek temperatury
– potencjalne życie musi się
przystosować (dna oceanów,
hibernacja etc.). Dodatkowo albedo
rośnie – chłodzenie planety;
•
Nie do pominięcia – wiatr
gwiazdowy – według symulacji jest
tak silny, że nawet silne pole
magnetyczne nie stanowi ochrony.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
63
GWIAZDY TYPU M
– CZERWONE KARŁY
•
Dodatkowo – bardzo silne
rozbłyski promieniowania;
potencjalnie szkodliwe dla życia i dla
atmosfery;
•
Silne rozbłyski: pierwsze 1,2 mld lat
gwiazdy (a planeta może powstać
dalej od gwiazdy i migrować potem);
•
Bonus : mało UV przez pozostały
czas życia gwiazdy: strefa ozonowa
nie jest potrzebna.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
64
GWIAZDY TYPU M – CZERWONE KARŁY
Projekt: „Życie z czerwonym karłem”
http://www.astronomy.villanova.edu/lward/index-old.html
Badanie zmian aktywności koronalnej/chromosferycznej w trakcie ewolucji gwiazd typu dM na
ciągu głównym; szeroki zakres długości fali; wpływ aktywności na strefę habitacyjną i na
planety.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
65
GWIAZDY TYPU M – CZERWONE KARŁY
Zależności: zmiana okresu rotacji z wiekiem gwiazdy i zmiana
aktywności z wiekiem gwiazdy.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
66
GWIAZDY TYPU M – CZERWONE KARŁY
Własności gwiazd typu M
Astrobiologia
Komentarz
~stała moc promieniowania Korzystne dla rozwoju
przez kilkanaście mld lat – skomplikowanych form życia
stała HZ
Stabilne środowisko (+ dla
powstania i ewolucji
skomplikowanych form życia)
Gwiazdy M to ~75%
wszystkich gwiazd
Korzystne
Duża szansa na znalezienie
planet skalistych w HZ
Długi czas życia na ciągu
głównym (nawet >50 mld
lat)
Korzystne
Korzystne dla rozwoju
zaawansowanych form życia.
Dużo „starych” gwiazd typu
M w Galaktyce
Korzystne (statystycznie), ale
problem z odpowiednią
obfitością pierwiastków
ciężkich.
Być może są tam bardziej
zaawansowane formy życia.
Problem – skład chemiczny –
problem z formowaniem
planet skalistych; mało metali
to też problem dla rozwoju
organizmów
żywych.
2015-02-23
67
EN, ASTROBIOLOGIA
GWIAZDY TYPU M – CZERWONE KARŁY
Własności gwiazd typu M
Astrobiologia
Komentarz
Z badań teoretycznych –
Super Ziemie łatwo
powstają w dyskach
protoplanetarnych gwiazd
M
Korzystne
Planety wokół gwiazd M
powinny być równie częste jak
wokół gwiazd G. Wiele takich
planet zostało znalezionych.
Gwiazdy M mają HZ
położone blisko gwiazdy
centralnej (<0.1-0.4 AU).
Szkodliwe? Utrudnienie.
Oddziaływania pływowe;
niemożliwy rozwój życia na
całej planecie (niekoniecznie –
ocean, atmosfera, chmury).
Brak promieniowania
gwiazdy <2800Å
Korzystne na
początkowych etapach
rozwoju życia; potem
potencjalnie niekorzystne
(ewolucja).
Promieniowanie UV jest
generalnie szkodliwe dla
organizmów, ale jednocześnie
jest bardzo ważne np. dla
ewolucji, adaptacji; może też
być ważne dla powstania życia
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
68
GWIAZDY TYPU M – CZERWONE KARŁY
Własności gwiazd typu M
Astrobiologia
Komentarz
Wydajne dynamo
Szkodliwe
magnetyczne gwiazdy – silne
promieniowanie X (korona),
FUV (strefa przejściowa),
FUV-UV (chromosfera).
Szkodliwe, ale tego rodzaju
promieniowanie jest łatwo filtrowane
w atmosferze i może być ważne dla
ewolucji organizmów żywych.
Ewentualne pole magnetyczne –
ochrona.
Częste rozbłyski i emisja
promieniowania XUV
Nawet cienkie atmosfery nie
przepuszczają promieniowania
FUV/X o długościach fal < 2000Å. Z
drugiej strony nagłe impulsy
promieniowania (>2000Å) mogą
przyczynić się do przyspieszenia
ewolucji (mutacje kodu
genetycznego).
EN, ASTROBIOLOGIA
Korzystne i
szkodliwe
2015-02-23
69
ŻYCIE W ŚWIETLE CZERWONEGO KARŁA
•
Życie w jaskiniach: może
stopniowo dostosowywać się do
warunków na zewnątrz. Problem –
rozbłyski i wiatr gwiazdowy.
Rozwiązanie: systemy obronne: np.
nieprzezroczyste muszle ochronne.
Różne organizmy będą rozwijać
różne mechanizmy. Organizmy
odporne na promieniowanie:
kolonizacja nowych siedlisk. Gdy
mechanizmy ochronne są
wystarczająco silne – organizmy
żywe mogą żyć poza jaskiniami.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
70
ŻYCIE W ŚWIETLE CZERWONEGO KARŁA
•
Życie w pobliżu kominów
hydrotermalnych: większość
kominów jest na dnie oceanów –
brak pośredniego siedliska między
kominami i powierzchnią oceanu. W
takich warunkach życie może
również stopniowo wytworzyć
ochronę przed promieniowaniem.
Organizmy odporne: kolonizacja
nowych siedlisk,. Odporność rośnie
– stopniowe przemieszczanie się
wyżej, gdzie jest więcej światła.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
71
ŻYCIE W ŚWIETLE CZERWONEGO KARŁA
•
Małe organizmy (mikroskopowe):
mają większą powierzchnię w
stosunku do objętości (w
porównaniu z większymi
organizmami) – dlatego muszą
wykorzystać proporcjonalnie więcej
energii do budowy skorupy
ochronnej oraz do przenoszenia
takich muszli. Mogą żyć w glebie, w
cieniu gór, w wodzie – ważna jest
ochrona przed promieniowaniem
(rozbłyski i wiatr gwiazdowy).
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
72
ŻYCIE W ŚWIETLE CZERWONEGO KARŁA
•
Duże organizmy – mechanizmy ochronne (np. muszle) lub przemieszczanie; te
mechanizmy muszą być możliwe do wykorzystania tuż po urodzeniu/wykluciu; lub
życie częściowo w ukryciu; organizmy mogą też żyć w niszach z odpowiednimi
warunkami.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
73
ŻYCIE W ŚWIETLE CZERWONEGO KARŁA
•
Ważne – przetrwanie początkowych
niekorzystnych warunków (silna
aktywność gwiazdowa – rozbłyski,
wiatr gwiazdowy);
•
Aktywność czerwonych karłów
maleje z czasem; czas życia na
ciągu głównym jest bardzo długi –
tryliony lat;
•
Życie może zacząć ewoluować po
tym czasie – jeśli warunki
geologiczne będą korzystne; lub
skuteczne mechanizmy ochronne;
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
74
PLANETY POZASŁONECZNE
W STREFACH HABITACYJNYCH
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
75
ODPOWIEDNIA PLANETA
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
76
ODPOWIEDNIA PLANETA
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
77
ODPOWIEDNIA PLANETA
Typ planety
Masa (M Ziemi)
Promień (R Ziemi)
Atmosfera?
Typu asteroidy
0 – 0.00001
0 – 0.03
Małe, nieregularne obiekty, nie są
stanie utrzymać stabilnej atmosfery
Typu Merkurego
0.00001 – 0.1
0.03 – 0.7
Atmosfera może być utrzymana w
„zimnej” strefie poza linią śniegu
Sub-Ziemie
0.1 – 0.5
0.5 – 1.2
Stabilna atmosfera jest możliwa
Ziemie
0.5 – 2
0.8 – 1.9
Stabilna atmosfera jest możliwa
Super-Ziemie
2 – 10
1.3 – 3.3
Stabilna gęsta atmosfera jest
możliwa
Typ Neptuna
10 – 50
2.1 – 5.7
Gęsta atmosfera jest możliwa
Jowisze
50 – 5000
3.5 – 27
Bardzo gęsta atmosfera jest możliwa
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
78
ODPOWIEDNIA PLANETA
Super-Ziemie: aktywne geologiczne,
atmosfera, klimat odpowiedni dla życia;
Ziemia: masa na granicy mas planet
przyjaznych życiu;
Dwa główne typy Super-Ziemi:
• Typ I: planety uformowane daleko
od gwiazdy – wychwytują dużo
lodu – planety z oceanem na
powierzchni;
• Typ II: planety uformowane bliżej
gwiazdy centralnej – w wyższej
temperaturze – lądy + oceany na
powierzchni;
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
79
ODPOWIEDNIA PLANETA
Budowa wewnętrzna: żelazne jądro + płaszcz
krzemianowy;
Jądro Ziemi: jądro zewnętrzne jest ciekłe,
konwekcja – pole magnetyczne;
Super Ziemie: ciśnienie w jądrach dużych
planet jest na tyle wysokie, że Fe się zestali
nawet przy temperaturze 10000K; wynik:
Super-Ziemia – jądro stałe – brak globalnego
pola magnetycznego;
Super-Ziemie + globalny ocean; płynny ocean
na powierzchni + lód (krystaliczne struktury,
lód VII, X, XI);
W jądrze – wysokie ciśnienie – duża gęstość
(gęstość > niż gęstość planety o mniejszej
masie i takim samym składzie chemicznym);
jądro twardsze niż diament, płaszcz – głównie
postperowskit (MgSiO 3)?
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
80
ODPOWIEDNIA PLANETA
Aktywność geologiczna: Ziemia – konwekcja w płaszczu, ciepło wynoszone na powierzchnię, (ciepło
– pozostałość z okresu formowania się planety i z rozpadu pierwiastków promieniotwórczych płaszcza);
Super-Ziemia – ciepło z rozpadu Uranu i Toru – bardziej wydajna konwekcja niż w płaszczu Ziemi.
Większe planety – cieńsze płyty; konwekcja – tektonika płyt; silniejsza konwekcja – szybsze
przesuwanie się płyt;
Tektonika płyt – korzystnie dla organizmów żywych (cykl węglowo krzemianowy – reguluje
temperaturę powierzchniową planety; wydajniejsza konwekcja – krótsze skale czasowe dla wytwarzania
płyt i subdukcji – silniejszy cykl węglowo-krzemianowy;
Większe masy – łatwiejsze utrzymanie atmosfery i wody; Super-Ziemie – bardziej przyjazne życiu niż
planety typu ziemskiego.
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
81
PLANETY POZASŁONECZNE
W STREFACH HABITACYJNYCH
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
82
PLANETY POZASŁONECZNE
W STREFACH HABITACYJNYCH
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
83
PLANETY POZASŁONECZNE
W STREFACH HABITACYJNYCH
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
84
PLANETY POZASŁONECZNE
ORBITA
Zależność: masa planety –
ekscentryczność orbity (exoplanet.eu)
Zależność: ekscentryczność orbity –
odległość planety od gwiazdy centralnej
(exoplanet.eu)
PLANETY POZASŁONECZNE
W STREFACH HABITACYJNYCH
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
86
SKALA PODOBIEŃSTWA PLANETY DO ZIEMI – ESI
ESI – Earth Similarity Index; funkcja promienia, gęstości, prędkości ucieczki,
temperatury powierzchni planety; nie bierze pod uwagę składu atmosfery i możliwości
powstania życia;
𝑛
𝐸𝑆𝐼 =
1−
𝑖=1
𝑥𝑖 − 𝑥𝑖𝑜
𝑥𝑖 + 𝑥𝑖𝑜
𝑤𝑖
𝑛
𝑥𝑖 – porównywany parametr
𝑥𝑖𝑜 – wartość parametru dla Ziemi
𝑤𝑖 – waga cechy, ustalana w celu określenia wpływu parametru na podobieństwo
𝑛 – liczba porównywalnych cech
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
87
ESI
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
88
ESI
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
89
PHL – PLANETARY HABITABILITY INDEX
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
90
KONIEC
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
91
PLANETY POZASŁONECZNE
W STREFACH HABITACYJNYCH
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
92
PLANETY POZASŁONECZNE
W STREFACH HABITACYJNYCH
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
93
PLANETY POZASŁONECZNE
ATMOSFERA
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
94
ODPOWIEDNIA PLANETA
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
95
PHL
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
96
WIDMO PROMIENIOWANIA
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
97
KLASYFIKACJA WIDMOWA GWIAZD
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
98
ODPOWIEDNIA PLANETA
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
99
ODPOWIEDNIA PLANETA
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
100
ODPOWIEDNIA PLANETA
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
101
PLANETY POZASŁONECZNE
W STREFACH HABITACYJNYCH
http://phl.upr.edu/projects/habitable-exoplanets-catalog/results
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
102
PLANETY POZASŁONECZNE
W STREFACH HABITACYJNYCH
EN, ASTROBIOLOGIA
2015-02-23
103