Солнце находится на полпути своей жизни термоядерного синтеза. Ему около пяти миллиардов лет, и хотя его жизнь далека от завершения, оно претерпит некоторые выраженные изменения по мере старения. В течение следующего миллиарда лет Солнце будет продолжать светить ярче. Это значит, что здесь, на Земле, все изменится.
По мере того, как Солнце занимается своим делом, превращая гелий в водород, соотношение водорода и гелия в его ядре меняется. Со временем ядро постепенно обогащается гелием. По мере накопления гелия в ядре плотность ядра увеличивается, что означает, что протоны более плотно упакованы. Это создает ситуацию, в которой Солнце может более эффективно превращать водород. После цепной реакции процессов и причинно-следственных связей конечным результатом является увеличение светимости Солнца. Светимость Солнца уже увеличилась примерно на 30% с момента его образования, и увеличение яркости будет продолжаться.
Любое увеличение светимости Солнца может иметь выраженный эффект на Земле. Экологические циклы, такие как циклы углерода, азота и фосфора, поддерживают биосферу Земли. По мере того, как Солнце становится ярче, оно будет влиять на эти циклы, включая карбонатно-силикатный цикл, который сдерживает накопление углекислого газа (CO 2) в атмосфере планеты.
Ученые полагают, что в течение следующего миллиарда лет яркое Солнце нарушит этот цикл, что приведет к снижению уровня CO 2. Растения зависят от CO 2, и ожидается, что уровень резко упадет, что означает, что сложная наземная жизнь прекратится в течение следующего миллиарда лет.
Это мрачный прогноз, но новые исследования показывают, что этого может и не произойти.
Новое исследование называется было принято к публикации в журнале Planetary Science Journal. Сейчас оно находится в стадии предварительной печати, а ведущим автором является Р. Дж. Грэм, научный сотрудник кафедры геофизических наук Чикагского университета.
«Примерно через миллиард лет (Gyr) в будущем, когда Солнце станет ярче, карбонатно-силикатный цикл Земли, как ожидается, приведет к снижению уровня CO2 ниже минимально необходимого для сосудистых наземных растений, что приведет к уничтожению большей части макроскопической наземной жизни», — пишут авторы.
По мере того, как Солнце освещает и нагревает поверхность Земли, ученые ожидают, что карбонатно-силикатный цикл будет вытягивать больше CO 2 из атмосферы из-за карбонатно-силикатного выветривания и захоронения карбонатов. Дождевая вода обогащается атмосферным углеродом, который реагирует с силикатными породами и разрушает их. Продукты химических реакций, которые их разрушают, попадают на дно океана, где образуют карбонатные минералы. По мере захоронения этих минералов они эффективно удаляют углерод из атмосферы.
Обычно цикл действует как естественный термостат Земли. Однако более высокие температуры делают реакции более эффективными, то есть карбонатно-силикатный цикл будет удалять больше CO 2 из атмосферы. Это привело ученых к выводу, что CO 2 станет настолько низким, что жизнь на планете погибнет. Однако авторы рассмотрели эти идеи и обнаружили, что это может сработать не совсем так.
«Здесь мы объединяем глобальные средние модели продуктивности растений, зависящей от температуры и CO 2, для растений C 3 и C 4 , выветривания силикатов и климата, чтобы пересмотреть оставшееся время для наземных растений», — пишут они. Растения C 3 и C 4 — это две основные группы растений, которые классифицируются на основе того, как они выполняют фотосинтез и поглощают углерод. Они важны, потому что по-разному реагируют на более высокие температуры.
Исследователи говорят, что последние данные показывают, что карбонатно-силикатный цикл не так зависит от температуры, как считалось ранее. Вместо этого он лишь слабо зависит от температуры и сильнее зависит от CO 2. В этом случае «мы обнаруживаем, что взаимодействие между климатом, производительностью и выветриванием приводит к тому, что будущее снижение CO 2, вызванное светимостью, замедляется и временно обращается вспять, предотвращая голодание растений по CO 2», - объясняют они.
Вместо прогноза на один миллиард лет для растительной жизни Земли, говорят исследователи, уровень CO 2 в атмосфере будет означать, что растениям осталось еще 1,6-1,86 миллиарда лет. Когда растения больше не смогут выживать, это произойдет не из-за резкого падения уровня CO 2. Вместо CO 2 -голодания это произойдет из-за того, что ученые называют переходом во влажный парниковом климате.
Когда происходит этот переход, атмосфера планеты насыщается водяным паром по мере того, как планета нагревается. Поскольку водяной пар является мощным парниковым газом, он создает обратную связь увеличения потепления. В конце концов, становится просто слишком жарко для выживания растений. Последствия на этом не заканчиваются. По мере того, как верхняя атмосфера Земли становится более насыщенной водяным паром, УФ-энергия расщепляет воду, и водород уносится в космос. В этой ситуации происходит постепенная и необратимая потеря воды в космос.
«Мы показываем, что последние данные, указывающие на слабо зависящее от температуры выветривание силиката, приводят к прогнозу, что гибель биосферы происходит из-за перегрева, а не из-за нехватки CO2», — пишут авторы. «Эти результаты свидетельствуют о том, что будущая продолжительность жизни сложной биосферы Земли может быть почти вдвое длиннее, чем считалось ранее».
Эти результаты также влияют на наше понимание обитаемости экзопланет. Это связано с тем, что называется «жесткими шагами» в появлении и эволюции жизни. Модель жестких шагов утверждает, что определенные эволюционные переходы были трудными и вряд ли могли произойти дважды. Вот некоторые примеры: появление многоклеточных организмов и кембрийский взрыв.
Но если биосфера Земли имеет гораздо большую продолжительность жизни, чем считалось, это влияет на модель жестких шагов.
«Более продолжительная продолжительность жизни сложной биосферы в будущем может также предоставить слабые статистические доказательства того, что в эволюции разумной жизни было меньше «трудных шагов», чем предполагалось ранее, и что возникновение жизни не было одним из этих трудных шагов», — заключают авторы.
Если это так, то обитаемость экзопланет может быть менее редкой, чем считалось.
