Czwarty element. Samowary, czarne oceany i to coś pomiędzy.

Niniejszy artykuł jest kontynuacją wpisu o Paradoksie Fermiego (cz I, cz II), który zaleca się wcześniej przeczytać

W artykule „O milczeniu Wszechświata”, niżej podpisany rozważał możliwe przyczyny tzw. „paradoksu Fermiego”, czyli braku jakichkolwiek śladów istnienia pozaziemskich cywilizacji. Takie ślady, według wszelkich racjonalnych założeń, powinny być bowiem, zwłaszcza w postaci sygnałów radiowych, spotykane często i łatwo. Budując, a następnie analizując adekwatny model powstawania i rozprzestrzeniania się cywilizacji w Galaktyce, doszedł autor do dwóch wniosków. Po pierwsze zjawisko, zwane z łacińska Silentium Universii, jest zjawiskiem rzeczywistym, a nie wynikającym tylko z ludzkich ograniczeń technologicznych, tzn. cywilizacji nie widać, ponieważ ich faktycznie nie ma. A jedynym sensownym rozwiązaniem paradoksu Fermiego jest przyjęcie, że prawdopodobieństwo powstania takiej cywilizacji jest ekstremalnie małe. Tak małe, że do dzisiaj w Galaktyce zdążyła powstać tylko jedna – nasza własna. Mimo że wniosek ten jest w pewnym sensie przełomowy, ponieważ większość autorów rozważających to zagadnienie, jako przyczynę owego wielkiego milczenia wskazuje raczej na mikrą średnią długość życia już powstałej cywilizacji, to jednak pozostawał artykuł czytelnika w pewnym niedosycie. Nie zostało bowiem w nim w żaden sposób wyjaśnione, dlaczego owo prawdopodobieństwo miałoby być aż tak nikłe. Artykuł niniejszy jest próbą uzupełnienia tej luki, poprzez potraktowanie zjawiska cywilizacji naukowo-technicznej, jako skrajnego przypadku fenomenu znacznie lepiej naukowo poznanego i opisanego – życia.

Poszukiwania życia pozaziemskiego prowadzone były właściwie już od momentu, kiedy zorientowano się, że planety nie są tylko poruszającymi się po niebie zgodnie ze skomplikowanymi, ale możliwymi do zrozumienia regułami, światełkami, ale także oddzielnymi światami, w jakimś tam stopniu podobnymi do Ziemi. Przełom kopernikański nie polegał bowiem tylko, jak to się zwykle w wąskiej, czysto astronomicznej, interpretacji przedstawia, na zmianie punktu odniesienia wokół którego orbitują ciała niebieskie z Ziemi na Słońce, ale na całkowitej zmianie myślenia o Wszechświecie. W obowiązującej do czasów warmińskiego kanonika fizyce arystotelesowskiej, życie i w ogóle jakiekolwiek bardziej skomplikowane struktury mogły istnieć wyłącznie na Ziemi, bo tylko w tej „sferze” możliwe było mieszanie się „żywiołów”, ich wzajemne oddziaływanie i tym samym arystotelesowski odpowiednik chemii. Przestrzeń pozaziemska była natomiast straszliwie monotonna i wypełniona tylko jednym „żywiołem” (pierwiastkiem) – uranoizą, zwanej też z łacińska kwintesencją. Odkrycie Kopernika zerwało radykalnie z tym paradygmatem, a Kosmos okazał się być prostym przedłużeniem Ziemi. Skoro więc prawa rządzące Kosmosem okazały się być takie same, jak na naszym globie, to i rezultat działania tych praw powinien być, zgodnie z tym rozumowaniem, zbliżony, w szczególności na planetach podobnych do Ziemi powinny bytować podobne do ziemskich istoty.

 W pewnym momencie uważano nawet, że praktycznie wszystkie znane planety i księżyce są zamieszkane, nawet przez inteligentne formy życia, a przekonanie to było tak silne, że w przypadku najbardziej obiecujących pod tym względem lokalizacji, jak Wenus, czy Mars, utrzymało się aż do połowy XX wieku. Wszelkie jednak podobne spekulacje okazały się przedwczesne i przyniosły wyłącznie rozczarowanie. Dwie były przyczyny tego stanu rzeczy. Nie tylko, aż do powstania międzyplanetarnej kosmonautyki, nie znano dokładnie warunków panujących na innych planetach, ale też nie rozumiano zbyt dobrze samego zjawiska życia, tego jak ono powstaje, czym się charakteryzuje i jakie są jego interakcje ze środowiskiem w którym występuje. I do dzisiaj, pomimo, że wiemy na ten temat już całkiem sporo, nie można twierdzić, że nic nas już w tej materii nie zaskoczy, skoro nadal nie potrafimy fenomenu życia w laboratorium odtworzyć. Obecnie życia pozaziemskiego szuka się już raczej poza układem słonecznym i w ciągu kilku-kilkunastu lat, wraz z wejściem do użytku nowej generacji gigantycznych teleskopów naziemnych i orbitalnych, można się wreszcie spodziewać sukcesu w tej kwestii. Na razie, co rusz jesteśmy elektryzowani doniesieniami o odkryciu kolejnych pozasłonecznych planet leżących w tzw. ekostrefie, czyli w takiej odległości od swoich macierzystych gwiazd, która gwarantuje na tych globach odpowiednią, dla potencjalnego istnienia tam żywej biosfery, temperaturę.

Temperaturę odpowiednią, to znaczy właściwie jaką? Najczęściej spotykaną odpowiedzią na to pytanie, jest nieco enigmatyczne stwierdzenie, że temperatura odpowiednia, to taka, która umożliwia na danej planecie istnienie wody w stanie ciekłym. Obecność tej substancji, obok dostępności odpowiednich związków mineralnych, oraz jakiegoś źródła energii, uznaje się bowiem za podstawowy czynnik umożliwiający powstanie i istnienie na takim globie istot żywych. W rzeczywistości jednak, jak się jeszcze o tym przekonamy, chociaż faktycznie te trzy warunki są do zaistnienia zjawiska życia konieczne, to jednak nie są wystarczające. Potrzebny jest jeszcze czwarty, tytułowy element, zwykle w rozważaniach tego rodzaju pomijany.

Warunek występowania ciekłej wody, w skrajnie uproszczonej interpretacji, przekłada się na oczekiwanie, że niezbędna temperatura będzie się zawierać w przedziale od 0 do 100 stopni Celsjusza. Jest to jednak oczekiwanie nieco naiwne. Patrząc na górny koniec skali, nie można zapominać, że temperatura wrzenia wody wynosi, owszem, 100 stopni Celsjusza (373 Kelwiny), ale tylko pod ciśnieniem atmosferycznym, czyli takim, jakie jest obecnie na Ziemi – 0,1 MPa. W miarę spadku ciśnienia, np. w wysokich górach, temperatura wrzenia się obniża, aż do 0 stopni w tzw. punkcie potrójnym pod ciśnieniem 612 Pa. W drugą stronę, przy ciśnieniach wyższych od atmosferycznego, temperatura wrzenia stopniowo rośnie, aż do osiągnięcia ciśnienia krytycznego, ok 2,2 MPa (218 atmosfer), powyżej którego woda nie będzie wrzeć niezależnie od wysokości temperatury. Teoretycznie więc można sobie wyobrazić, jakąś bardzo gorącą planetę z oceanami o temperaturze kilkuset stopni i gęstą atmosferą wysyconą parą wodną. Taka planeta – samowar musiałaby być bardzo ciężka, typu zwanego w astronomii „superziemią”, bo lżejszy glob, wielkości Ziemi, lub mniejszej, szybko by taką atmosferę, wskutek zjawiska zwanego wypływem hydrodynamicznym, lub ucieczką Jeansa, utracił, ale podany warunek przebywania w ekostrefie, czyli występowania na powierzchni wody w stanie ciekłym, jak najbardziej by spełniała. Co więcej nawet na Ziemi istnieją organizmy, które w takiej ultragorącej wodzie w temperaturze przekraczającej 100 stopni bytują i prosperują. Bariera 100 stopni dla ciekłej wody nie jest zatem bynajmniej barierą nieprzeniknioną, a takie złudzenie mogło powstać i funkcjonować wyłącznie dlatego, że w naszym Układzie Słonecznym, pomijając Wenus, która ma na to zbyt słabą grawitację, podobnej planety – samowara w ogóle nie ma.

Nie da się jednak tego powiedzieć o drugim końcu skali, obiektach bardzo zimnych, których z kolei mamy na naszym kosmicznym podwórku bez liku.

Zanim jednak do nich przejdziemy, omówimy wcześniej, na przykładzie najlepiej nam znanego układu planetarnego, samą ekostrefę jako taką. Zważywszy na fakt że planety gazowe, takie jak Jowisz, Saturn, czy nawet Uran i Neptun, cechują się swoistą, sobie tylko właściwą, dynamiką, ich temperatura w niewielkim tylko stopniu zależy od odległości od Słońca, a ponadto nie mają one oczywistej powierzchni, punktu odniesienia, której temperaturę moglibyśmy porównywać między sobą, w dalszych rozważaniach weźmiemy pod uwagę jedynie obiekty skaliste, mające stałą powierzchnię. Globy te, niezależnie od tego, czy okrążają one bezpośrednio swoją gwiazdę macierzystą, czy też są księżycami jakiejś innej planety, nazywać będziemy zbiorczo „planetami”

W pierwszym przybliżeniu możemy założyć, że temperatura na danej planecie, zależy od wielkości strumienia energii dostarczanej jej przez macierzystą gwiazdę, u nas Słońce. Zależność między temperaturą a promieniowaniem opisuje prawo Stefana – Boltzmana

samo 01

gdzie F, to strumień promieniowania słonecznego w watach/metr kwadratowy, zwany także niezbyt ściśle stałą słoneczną, T to temperatura w Kelwinach, a σ, to stała Stefana-Boltzmana równa 5,67*10^-8 W/(m^2*K^4)

Strumień promieniowania słonecznego docierający na planetę zawiera się w kole o promieniu równym promieniowi tejże planety. To promieniowanie rozkłada się na powierzchnię, będącą w dobrym przybliżeniu sferą. Ponieważ zaś powierzchnia sfery jest cztery razy większa od powierzchni koła o tym samym promieniu, zatem równanie nasze przybierze postać:

samo 02

Stała słoneczna F maleje (jak widać nazywanie jej stałą nie jest szczególnie uprawnione) wraz z odległością od gwiazdy odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości

samo 03

L jest zaś całkowitą mocą wypromieniowaną przez daną gwiazdę, w przypadku Słońca to 3,85*1026 watów, a R odległością od gwiazdy. Po odpowiednich przekształceniach otrzymujemy temperaturę powierzchni danego globu.

samo 04

Na poniższym wykresie przedstawimy teraz rozkład tej temperatury w zależności od odległości od Słońca. Czerwone kwadraciki reprezentują rzeczywiste ciała niebieskie. Dla polepszenia czytelności, obie osie przedstawiono w skali logarytmicznej. Temperatura, w bezwzględnej skali Kelvina, maleje, jak wynika z powyższego wzoru, odwrotnie proporcjonalnie do pierwiastka kwadratowego odległości od naszej gwiazdy.

Ekostrefa 01

Jak widać, dopasowanie rzeczywistych planet do krzywej teoretycznej jest, na pierwszy rzut oka, dość dobre. Przypatrując się jednak wykresowi bliżej, można jednak zauważyć pewne niedokładności. Najbardziej rzuca się w oczy odchyłka w przypadku Wenus, ale i pozostałe globy też nie leżą dokładnie tam, gdzie nasza teoria przewiduje. Oczywiste więc jest, że zaprezentowany model jakieś dość istotne zjawiska pomija. Uwzględniamy w nim bowiem tylko cechy centralnej gwiazdy układu, oraz charakterystyki orbit planetarnych, całkowicie pomijając właściwości samych planet. Musimy zatem wprowadzić do modelu odpowiednią uwzględniającą ten fakt poprawkę, nazywając ją „współczynnikiem planetarnym” P. Współczynnik P określa o ile należy zmodyfikować docierający do planety strumień promieniowania, aby uzyskać obserwowaną na niej temperaturę. Model przybiera teraz postać:

samo 05

Wielkość współczynnika planetarnego dla poszczególnych planet przedstawia kolejny wykres.

Ekostrefa 02

Od czego zależy ów „współczynnik planetarny”? Rozdzielimy go na dwie składowe. Pierwsza z nich będzie osłabiać efektywny strumień promieniowania docierający do powierzchni planety, druga przeciwnie, zwiększać go. Czyli:

samo 06

Składowa A to tzw. albedo. W pierwotnym modelu założyliśmy bowiem milcząco, że nasze planety są ciałami doskonale czarnymi pochłaniającymi całość padającego na nie promieniowania. W realnym przypadku jednak, część promieniowania zawsze będzie odbijana z powrotem w kosmos. O tym jaka to część, decyduje właśnie współczynnik zwany albedo, czy, żeby być bardziej precyzyjnym, albedo Bonda. Planety brane tutaj pod uwagę mają albedo bardzo zróżnicowane, od 9% w przypadku Ceres, do 99% dla, nie bez powodu, jak widać, zwanego zwierciadłem układu słonecznego, Enceladusa. Istnienie większego od zera albedo powoduje schłodzenie danego ciała poniżej temperatury, jaką przywidywał dla niego pierwotny model. Kwestia albedo jest jeszcze stosunkowo prosta, a jego wartości dla większych ciał krążących w Układzie Słonecznym dość dobrze poznane i opisane. Inaczej ma się sprawa z podgrzewaniem – współczynnikiem E, które może mieć więcej niż jedną przyczynę.

 Na kolejnym wykresie pokażemy teraz o ile dany obiekt, już po uwzględnieniu wpływu albedo, jest w skali bezwzględnej, cieplejszy od przewidywań teoretycznych.

Ekostrefa 03

Planety z wykresu można z grubsza podzielić na trzy grupy. Do pierwszej należą te ciała, których temperatura jest opisywalna tylko i wyłącznie przez wielkość lokalnej stałej słonecznej i albedo, czyli w których przypadku E0. Do tego zbioru należą Merkury, Księżyc, Mars, i Ceres. Niewielką nadwyżkę temperatury w przypadku Ceres można bez trudu złożyć na karb błędów w pomiarach jej średniej temperatury i/lub albedo. Potem mamy Wenus i Ziemię, dwie planety obdarzone gęstą atmosferą. Gazy wchodzące w skład tych atmosfer, działają jako swoiste przegrody, przepuszczające światło słoneczne, ale pochłaniające wypromieniowywane przez powierzchnie planet promieniowanie podczerwone. Podgrzane w ten sposób atmosfery emitują wtórne promieniowanie w stronę powierzchni, co podnosi jej temperaturę powyżej przewidzianego teoretycznie poziomu. Zjawisko to nazywa się efektem cieplarnianym. Hipotetycznie można do tej grupy zaliczyć także posiadającego gęstą, ale o odmiennym od ziemskiego, czy wenusjańskiego składzie, atmosferę Tytana. Hipotetycznie, bo Tytan z kolei jest członkiem obszernej grupy planet skalisto-lodowych, którą teraz będziemy omawiać.

Wszystkie one, podobnie jak Wenus i Ziemia, ale tym razem na pewno nie z powodu efektu cieplarnianego, wykazują nadwyżkę zmierzonej temperatury powierzchni nad temperaturą teoretyczną, wynikającą z wielkości stałej słonecznej i albedo. Naturalnie nadwyżka nadwyżce nierówna. Temperatura, jak należy przypomnieć, jest wprost proporcjonalna do pierwiastka czwartego stopnia z promieniowania, stąd podniesienie o 10% temperatury z poziomu 10 Kelwinów to zupełnie co innego niż podniesienie temperatury o 10% z poziomu 100 Kelwinów. To pierwsze wymaga zwiększenia strumienia promieniowania zaledwie o 0,00026 W/m2, to drugie już o 2,63 W/m2, wielkość o 5 rzędów wielkości większą. Dlatego na kolejnym wykresie pokażemy nadwyżkę energii, jaka jest potrzebna do podgrzania skalno-lodowych globów w zewnętrznym układzie słonecznym do obserwowanych temperatur.

Ekostrefa 04

Skąd się ta dodatkowa energia bierze? Skoro nie pochodzi ona z zewnątrz, z promieniowania słonecznego, to jedynym możliwym jej źródłem jest samo wnętrze rozpatrywanych planet, czyli ciepło geotermalne. Strumień energii o wielkości kilku watów na m2, czyli rzędu jednego procenta tej wielkości, którą Ziemia dostaje od Słońca, może nie wydaje się imponujący, ale w porównaniu z strumieniem geotermalnym Ziemi, wynoszącym ledwo 0,06 W/m2 są to wielkości gigantyczne. Gigantyczne do tego stopnia, że pozwalają one tym globom na posiadanie pod lodową zewnętrzną skorupą, tam gdzie Słońce dosłownie nie dochodzi, ogromnych zbiorników ciekłej wody, prawdziwie czarnych oceanów. Jedynym wyjątkiem jest, w przeciwieństwie do pozostałych naszych lodowych planet, akurat wody pozbawiony Io.

We wnętrzu tych planet muszą zatem zachodzić procesy generujące duże ilości ciepła. Rozważający tę kwestię autorzy opublikowanego w 303 numerze „Świata nauki” artykułu „Pod morzami Enceladusa” [8], proponują trzy takie możliwe mechanizmy wewnętrznego grzania tych planet. Pierwszy z nich, to ten sam, który generuje większość wewnętrznego ciepła Ziemi – rozpad izotopów promieniotwórczych w jej wnętrzu. Aby sprawdzić tę możliwość, musimy dokonać jeszcze jednego przeliczenia naszych danych. Strumień geotermalny jest bowiem parametrem, jak się jeszcze przekonamy, niezwykle istotnym, ale nie uwzględnia jednej kluczowej zmiennej – wielkości planety. Im większa bowiem planeta, tym, mając większy stosunek objętości do powierzchni, trudniej traci ciepło. Zatem mniejsze globy, dla podtrzymania zbliżonego strumienia geotermalnego, muszą produkować nieproporcjonalnie więcej ciepła. Porównajmy zatem nie strumienie geotermalne, ale ogólną ilość wydzielonego ciepła w przeliczeniu na objętość planety. Wielkość grzania podana jest w watach na kilometr sześcienny.

Ekostrefa 05

Produkcja ciepła przez planety lodowe, wśród których nawet niemrawy Tryton przewyższa w tej materii Ziemię dwukrotnie, jest tak olbrzymia, że hipotezę radioaktywną, dodatkowo biorąc jeszcze pod uwagę, że ze względu na swoją znacznie mniejszą od Ziemi gęstość, omawiane przez nas planety posiadają też proporcjonalnie mniejszą od ziemskiej zawartość ciężkich długożyciowych pierwiastków radioaktywnych, uranu i toru, możemy śmiało odesłać w niebyt. To nie energia atomowa podgrzewa czarne oceany. Drugą możliwością jest energia pływów. Są one generowane przez tzw. siły pływowe, które pojawiają się w momencie, kiedy ciała niebieskie przestają być, jak się zwykle w astronomii przyjmuje, idealnie sprężystymi punktami materialnymi. Konsekwencje odchyłki od tego wyidealizowanego modelu, każdy, kto choć raz w życiu znalazł się nad oceanem, mógł obserwować na własne oczy.

Tak samo jak Ziemia przyciąga Księżyc, tak samo Księżyc przyciąga Ziemię. Ponieważ Ziemia nie jest jednak punktem, części Ziemi leżące bliżej Księżyca są przyciągane silniej, niż części Ziemi leżące dalej. Różnica tych sił jest właśnie siłą pływową. W przeciwieństwie do klasycznej siły grawitacji Newtona zmienia się ona w przybliżeniu nie z kwadratem odległości, od ciała wywołującego pływy, ale znacznie szybciej – proporcjonalnie do sześcianu tego dystansu. Siły pływowe usiłują rozciągnąć daną planetę wzdłuż kierunku w którym działają. Gdyby planety były ciałami idealnie sprężystymi, które odkształcałyby się liniowo dokładnie według prawa Hooke’a, nie dawałoby to żadnego szczególnego efektu, ale oczywiście planety takimi ciałami nie są. Dzięki istnieniu zjawiska relaksacji, odkształcenie ciał rzeczywistych jest zawsze nieco opóźnione w stosunku do przyłożonego naprężenia. Moment wystąpienia maksymalnej wysokości fali pływowej, o czym wie każdy marynarz, zawsze jest więc opóźniony w stosunku do górowania nad danym południkiem Księżyca. Krzywa pokazująca zależność odkształcenia od naprężenia, w przypadku ciała idealnie sprężystego będąca, zgodnie z prawem Hooke’a, po prostu …prostą, staje się …krzywą właśnie, a odkształcenie pod wpływem naprężenia przebiega innym torem niż powrót do poprzedniego kształtu po ustaniu naprężenia, co tworzy tzw. pętlę histerezy. Obszar wewnątrz tej pętli to nadwyżka energii sprężystej (energia to całka siły po drodze, albo właśnie naprężenia po odkształceniu), która musi się rozproszyć w postaci ciepła. Ponieważ siły wywołujące pływy mają charakter cykliczny, możemy ten proces przedstawić za pomocą modelu tłumionego oscylatora, gdzie siłą wymuszającą drgania jest właśnie siła pływowa, a jej częstość jest znacznie mniejsza od częstości drgań własnych planety. Nie wdając się w szczegóły matematyczne, w celu poznania których odsyła chętnych autor do podręcznika Pawła Artymowicza [1], możemy stwierdzić, że wielkość pętli histerezy, a tym samym ilość ciepła wydzielanego w każdym cyklu pływowym, zależy od tzw. współczynnika dobroci układu drgającego Q, który z grubsza jest odwrotnością odsetka energii traconej w każdym cyklu drgań. Wielkość Q zależy bardzo silnie od wewnętrznej budowy planety, od nieregularności jej kształtu i odchyłek od symetrycznego rozkładu masy i może się wahać w dość szerokim zakresie od Q = 10 dla takich ciał jak Ziemia, czy Księżyc do Q ≈ 100 000 dla globów w całości ciekłych, typu Jowisz, czy Saturn. Wielkość Q, określa zatem tempo w jakim energia ruchu obrotowego, czy pola grawitacyjnego jest przetwarzana na ciepło. W zależności od wzajemnych stosunków mas, momentów pędu, mimośrodów orbitalnych, czy właśnie współczynników dobroci, pod wpływem sił pływowych ciała mogą, w sposób  niekiedy bardzo złożony i skomplikowany, zwiększać lub zmniejszać prędkość obrotu wokół osi, zbliżać się do siebie lub oddalać, zmieniać orbity, aż do osiągnięcia stanu równowagi, czyli zajęcia orbit ściśle kołowych i wzajemnej synchronizacji ruchu obrotowego, tak, że oba obiegające się nawzajem ciała są zwrócone do siebie stale tymi samymi półkulami. W takich warunkach przepływ energii wywołany pływami ustaje ostatecznie. Zanim jednak do tego dojdzie, można oczekiwać, że niezależnie od różnych wartości dobroci, tempo produkcji ciepła geotermalnego będzie w jakimś zakresie zależeć od odległości danego księżyca od planety, którą obiega. Na kolejnym wykresie pokazano zatem tą zależność dla księżyców Jowisza i Saturna. Ponownie obie osie przedstawiono w postaci logarytmicznej.

Ekostrefa 06

Energia geotermalna czarnych oceanów rzeczywiście zdaje się zależeć od ich odległości od planety, która obiegają, ale nie tak, jak byśmy mogli tego oczekiwać. Siły pływowe, zależą wprost proporcjonalnie od masy ciała wywołującego je, tymczasem na wykresie widać, że jeżeli między księżycami Saturna, a trzykrotnie bardziej masywnego Jowisza istnieje jakaś różnica, to raczej właśnie księżyce Jowisza są podgrzewane nieco słabiej. Może to wynikać z faktu, że są one wystarczająco masywne, aby, w przeciwieństwie do saturnowych maluchów, wpływać na siebie nawzajem. To oddziaływanie w przeszłości doprowadziło do „wygładzenia” i synchronizacji ich ruchu i tym samym zmniejszenia sił pływowych. Przykład Io, obecnie praktycznie pozbawionego wody, jest przesłanką, na to, że niegdyś glob ten był grzany znacznie intensywniej, na poziomie porównywalnym do dzisiejszego Enceladusa, i wskutek tego swoje zasoby wody utracił, co w dzisiejszych warunkach już by miejsca mieć nie mogło. Niestety, do tego schematu nijak nie pasuje kolejny wyjątek. Uważni czytelnicy zapewne już zauważyli, że we wszystkich dotychczasowych zestawieniach czarnych oceanów, ziała znacząca luka. Konsekwentnie bowiem autor niniejszego artykułu pomijał w nich najdalszy księżyc Jowisza – Kallisto. No, może nie do końca konsekwentnie, bo na pierwszym wykresie pokazującym zależność temperatury od odległości od Słońca, Kallisto jednak się znalazła – to najwyżej położony czerwony kwadracik ze tych pokazujących księżyce Jowisza.

Teraz już widać, że nie było to przypadkowe przeoczenie. Kallisto bowiem jest, w proporcji do swojej odległości od Jowisza, rozpalona niczym piec, na poziomie najbliższych księżyców Saturna. O ile najprostsze i najbardziej oczywiste wyjaśnienie tej anomalii, przyjęcie, że podawana w źródłach średnia temperatura powierzchni tego księżyca na poziomie 134K, została zwyczajnie błędnie zmierzona, nie jest prawdziwe, to wnętrze Kallisto może kryć coś naprawdę wyjątkowego.

Pomijając jednak opisane nieregularności i tak dochodzimy do wniosku, że co prawda, średnia energia geotermalna faktycznie regularnie maleje wraz ze wzrostem odległości od Jowisza, czy Saturna, to jednak maleje o wiele za wolno, niż po sile pływowej byśmy się tego spodziewali. Teoretycznie wykładnik w tej zależności powinien wynosić -3, a faktycznie ma on wartość zaledwie -1,7. Chociaż zatem ciepło to faktycznie jest produkowane przez pływy, to jednak na pewno nie wyłącznie, co pokazuje też przykład nadspodziewanie ciepłego Plutona. Skąd pochodzi reszta tej energii?

Trzecie możliwe źródło grzania geotermalnego wymienione we wspomnianym artykule ze „Świata Nauki”, jest szczególnie istotne w interesującym nas kontekście istnienia życia. W końcu czarne oceany, mimo że orbitują daleko poza teoretyczną granicą ekostrefy, posiadają wszystkie wymieniane potrzebne do zaistnienia tego fenomenu składniki. Istnieje ciekła woda, istnieją odpowiednie, wypłukiwane przez wodę ze skalistego jądra, związki mineralne, istnieje też źródło energii geotermalnej. Czego chcieć więcej?

Procesu serpentynizacji. Pod tą nieco zagadkową nazwą ukrywa się reakcja chemiczna, uwodnienie obecnego w skałach wulkanicznych minerału zwanego oliwinem do serpentynitu właśnie. Jest to reakcja egzotermiczna, w której, oprócz ciepła, wydzielają się także dwutlenek węgla i wodór, a wytrącające się z roztworu sole wytwarzają na morskim dnie, gdzie zwykle taki proces zachodzi, potężne struktury zwane zasadowymi, albo, w odróżnieniu od gorących wulkanicznych „czarnych” kominów, chłodnymi kominami hydrotermalnymi. Ostatnie badania biochemików, opisane w książce Nicka Lane’a „Pytanie o życie” [2], wskazują, że właśnie owe zasadowe kominy są tym środowiskiem, w którym na Ziemi tytułowe życie powstało. Aby bowiem mogło do tego dojść, nie wystarczy, jak już wspomniano, woda, związki chemiczne i energia. Potrzeba jeszcze czwartego elementu. W największym możliwym uproszczeniu, z chemicznego punktu widzenia, życie to proces redukcji CO2 najczęściej w wyniku reakcji z wodorem, chociaż przebiegający w sposób niekiedy niesłychanie złożony. Aby ta reakcja, jak zresztą każda inna dowolna reakcja chemiczna, mogła w sposób ciągły zachodzić, potrzebny jest, również stale się utrzymujący, gradient, czyli różnica stężenia substratów i produktów, oraz ciągły strumień energii. Potrzebny jest stan nierównowagi termodynamicznej. Ignorowanie tego wymogu spowodowało fiasko wszystkich dotychczasowych modeli powstania życia z „pierwotnego bulionu” cząsteczek organicznych, czy w innych proponowanych „pierwotnych” środowiskach pozostających jednak, tak samo jak „bulion”, w równowadze termodynamicznej. „Zupa pierwotna” rozpuszczonych w wodzie związków organicznych pozostawiona sama sobie, nie tylko, ignorując wysiłki pokoleń biochemików, nigdy żadnego życia nie stworzy, ale po jakimś czasie rozpadnie się na prostsze związki. Pierwsze prawo ekologii głosi, że „energia przepływa, materia krąży”, lecz dotyczy to dzisiejszej ziemskiej, rozbudowanej i złożonej biosfery. W samych początkach życia musiała przepływać nie tylko energia, ale również materia, a w „pierwotnym bulionie”, ani jedno, ani drugie, nie było możliwe.

Natomiast kominy serpentynitowe to zupełnie inna sprawa. Są one poprzecinane wąskimi kapilarami, przez które nieustannie przepływa ciepła, o temperaturze, 60-90 stopni Celsjusza, woda dostarczając duże ilości CO2 i H2, oraz nieustannie usuwając reagenty. W mikroskopijnych porach stężenia potrzebnych związków organicznych mogą lokalnie rosnąć ułatwiając reakcję, a jony żelaza, niklu, molibdenu i siarki, dostarczają pierwszych prymitywnych katalizatorów owe reakcje przyśpieszających. W takim środowisku faktycznie życie nie tylko mogło, ale wręcz musiało powstać. Serpentynitowe kominy hydrotermalne są znane na Ziemi, a analizując skład wyrzucanej przez Enceladusa do saturnijskiego pierścienia E materii, odkryto je także na tym niewielkim księżycu. Skoro jednak są na Enceladusie, to znaczy, że występują również w każdym innym czarnym oceanie, o zbliżonym do Enceladusa składzie chemicznym i budowie wewnętrznej. Ciepło serpentynizacji to właśnie ten dodatkowy, trzeci czynnik grzewczy, który zaburzał nam rozkład produkcji ciepła w czarnych oceanach.

Czy zatem w czarnych oceanach, daleko poza formalną granicą ekostrefy, występuje życie? Jeżeli hipoteza prezentowana przez Nicka Lane’a jest prawdziwa, a wygląda ona naprawdę solidnie, to w zasadzie można być tego pewnym. Nawet w naszym Układzie Słonecznym istnieje co najmniej kilka – kilkanaście oddzielnie powstałych i niezależnych od siebie biosfer, co nawet XVIII i XIX wiecznych entuzjastów życia na Księżycu, Jowiszu i …Słońcu właściwie mogłoby usatysfakcjonować.

Tylko że tak jakby …nie do końca.

Pojęcie „życie”, a już na pewno „życie pozaziemskie” jest bowiem bardzo nieprecyzyjne. Gdyby przeprowadzić jakiś sondaż, co mianowicie zwykle się pod tym terminem rozumie, to zapewne okazałoby się, że wygrywa skojarzenie z jakimiś „zielonymi ludzikami”, istotami świadomymi, inteligentnymi, a do tego jeszcze humanoidalnymi, w wersji skrajnej nawet używającymi ludzkich języków. Tymczasem realnie fenomen życia można, pod względem stopnia jego złożoności, podzielić na pięć, albo nawet i sześć poziomów. Pierwszy (I) z nich to proste, pozbawione jądra i bardziej skomplikowanych struktur zwanych organellami komórki prokariotyczne, bakterie i archeony. Pod względem biochemicznym są one (na Ziemi) niezwykle zróżnicowane, ale pod względem budowy i morfologii aż nudne w swojej monotonności. Drugi (II) poziom komplikacji, to eukarionty, komórki z jądrem komórkowym i innymi skomplikowanymi organellami, mitochondriami, czy chloroplastami. Przedstawicielami tego poziomu są omawiane w szkole pantofelek, czy euglena. Poziom III, to duże, makroskopowe organizmy zbudowane z oddzielnych tkanek, ze szczególnym uwzględnieniem tkanki nerwowej, które na Ziemi znane są jako zwierzęta (a w mniejszym zakresie rośliny naczyniowe). Poziom IV to istoty z bardziej rozbudowanym układem nerwowym prowadzące złożone życie społeczne, na Ziemi z grubsza odpowiadałyby by im ptaki, ssaki oraz przynajmniej część gatunków kałamarnic i ośmiornic. Wreszcie poziom piąty (V) to istoty świadome i inteligentne, czyli Homo sapiens, oraz być może jego wymarli krewniacy neandertalczycy, czy hobbici. Dodatkowy poziom VI to oczywiście szukana przez nas cywilizacja naukowo techniczna, zdolna do komunikacji międzygwiezdnej i przemieszczania się w kosmosie. Jak już wspomniano na wstępie, bardzo prawdopodobne, że istnieje tylko jedna taka we Wszechświecie, a przynajmniej w naszej Galaktyce – my sami.

Życie we Wszechświecie podzieliliśmy na kategorie pod względem poziomu komplikacji budowy i behawioru, czyli pod względem ilości zawartej w nim informacji. Informacja zaś jest, w pewnym uproszczeniu, odwrotnością parametru znanego w fizyce jako entropia, miara nieuporządkowania. Zgodnie z II zasadą termodynamiki, entropia nie może globalnie samorzutnie zmaleć, zatem aby utrzymać swój niski poziom entropii, organizmy żywe muszą, poprzez procesy metaboliczne, zwiększać entropię swojego otoczenia. Tym szybciej, im wyższy poziom komplikacji, czyli niższy entropii, same reprezentują. Odbywa się to głównie przez utratę ciepła. Im szybsza jest owa utrata, tym wyższy stopień komplikacji organizmy żywe mogą osiągnąć. Nieprzypadkowo właśnie na naszej planecie poziom IV złożoności reprezentowany jest w większości przez organizmy stałocieplne (endotermiczne), a w mniejszości przez organizmy bytujące w zimnych wodach, gdzie utrata ciepła jest znacznie niż na lądzie łatwiejsza. Proces wypychania nadmiaru entropii na zewnątrz organizmu, ten jest tym łatwiejszy, im niższa entropia w owym zewnętrzu panuje. Życie zatem może w procesie ewolucji osiągnąć tym wyższy poziom komplikacji, im środowisko w którym występuje ma niższą entropię.

Przechodząc od opisu jakościowego, do ścisłych rachunków ilościowych, wymodelujemy teraz życie na podobieństwo …maszyny parowej pana Watta. Analogia ta jest znacznie bliższa prawdy, niż mogłoby się to wydawać, bo w końcu maszyna parowa nie musi działać koniecznie na parze, ani być zbudowana z nitowanego żeliwa. Każdy inny materiał, czy czynnik roboczy też się nadaje, aby można było mówić o wyidealizowanej maszynie parowej, czyli silniku cieplnym, przerabiającym ciepło na pracę.

Zgodnie ze wspomnianą już II zasadą termodynamiki, proces taki nie jest możliwy ze 100% wydajnością. Maksymalną teoretycznie możliwą wydajność maszyny parowej osiąga się w tak zwanym cyklu Carnota (dla ciekawskich sprężanie izotermiczne, sprężanie adiabatyczne, rozprężanie izotermiczne, rozprężanie adiabatyczne). Podkreślić należy, ze sprawność cyklu Carnota nie wynika z takich czy innych braków technologicznych, lecz jest fundamentalnym ograniczeniem wynikającym z samej natury, takim samym co do zasady, jak prędkość światła, stała Plancka, czy zero bezwzględne. Tak samo jak nie da się przekroczyć prędkości światła, tak samo nie da się przerobić ciepła na pracę z większą niż w cyklu Carnota sprawnością. Owa sprawność Carnota to:

samo 07

Gdzie T1 jest temperaturą źródła ciepła (w Kelwinach), natomiast T2 to temperatura chłodnicy, otoczenia, do którego ciepło jest odprowadzane. Energia dostępna dla życia na danej planecie, niezależnie od jej pochodzenia, nigdy nie może być wykorzystana w całości, a tylko w części dopuszczonej przez powyższą zależność. Ową dostępną życiu energię, będziemy odtąd nazywać energią życiową. Jak wynika z przytoczonego wzoru, jej wielkość wynika z różnicy temperatur źródła energii i chłodnicy. Temperatura chłodnicy T2 to po prostu średnia temperatura danej planety Tp, wartość, którą już na początku tego artykułu omawialiśmy. A temperatura źródła? Dla życia ziemskiego, czerpiącego energię ze Słońca, będzie to temperatura promieniowania słonecznego – 5772 Kelwiny. Natomiast dla czarnych oceanów będzie to co najwyżej temperatura kominów hydrotermalnych, w najlepszych warunkach, dla „czarnych” wulkanicznych gorących kominów –  kilkaset Kelwinów.

Porównanie dostępnej na danych planetach energii życiowej, czy dokładniej energii życiowej na metr kwadratowy powierzchni na sekundę zamieszczono na następnym wykresie. Wartości tej energii dla czarnych oceanów zostały maksymalnie zawyżone, poprzez dołączenie do energii geotermalnej także tej resztki światła słonecznego, która do nich dociera, oraz założenie, że możliwa do wykorzystania przez procesy życiowe temperatura chłodnicy może być dowolnie niska, ograniczona od dołu wyłącznie temperaturą powierzchni danej planety.

Ekostrefa 07

Od razu na wstępie zaznaczyć musimy, że dwa obiekty z największą energią życiową na naszym wykresie, wprowadzają tylko w błąd. Zarówno Księżyc, jak i Merkury zawdzięczają swoją pozycję liderów wyłącznie temu, że są pozbawionymi hydrosfer i atmosfer gołymi skałami, czyli nie spełniają jednego z trzech „bazowych” warunków istnienia życia. Gdyby Księżyc posiadał na powierzchni ciekłą wodę i atmosferę, wyglądałby i miał takie same parametry jak Ziemia, a Merkury byłby „samowarem” gorętszym od Wenus z jeszcze wyższym niż ona albedo i współczynnikiem planetarnym P, a tym samym z jeszcze niższą energią życiową.

Po pominięciu ciał nie posiadających atmosfer, ani wody w ciekłej formie, oprócz Merkurego i Księżyca, również Ceres, możemy zaobserwować pewną znajomą tendencję. Najwyższą energią życiową (224 W/m2) cechuje się …Ziemia, wyprzedzając w tej materii swoich sąsiadów Marsa (106) i Wenus (57). I – cóż za niezwykły zbieg okoliczności! – na Ziemi właśnie istnieje życie. Jak wynika z naszego wykresu, również na Marsie i Wenus w zasadzie mogłoby ono istnieć, gdyby te planety zdołały zachować swoje zasoby wody, czyli realnie gdyby były kilkukrotnie masywniejsze niż są. Mars wielkości Ziemi, nie byłby, co prawda, o wiele cieplejszy niż teraz, ale nadal posiadałby oceany i wody powierzchniowe. Byłyby one w większości zamarznięte, ale lokalnie latem, w tropikach, czy wskutek działalności wulkanicznej, mogłyby odtajać i tym samym umożliwiać wegetację. Życie mogłoby istnieć, aczkolwiek wątpliwe jest, aby, wskutek słabszego strumienia energii (energia przepływa, materia krąży) osiągnęło większy od III poziom komplikacji.

Gorzej miałyby się sprawy na „Superwenus”. Wyglądałaby ona z grubsza jak obecna Wenus, z tym, że pod grubą warstwą chmur w wiecznym półmroku kryłby się gorący, o temperaturze kilkuset stopni, ocean. Atmosfera mogłaby być nawet mniej gęsta, część dominującego obecnie w niej CO2 byłaby bowiem rozpuszczona w wodzie i wytrącona w postaci węglanów, ale zawierając w zamian ogromne ilości pary wodnej, wywoływałaby jeszcze silniejszy, niż na Wenus obecnej, efekt cieplarniany. W świetle tego co już wiemy o serpentynizacji jako źródle życia, należy zauważyć, że choć teoretycznie życie, mogłoby w takim samowarze istnieć, to jednak nie mogłoby w żaden sposób w nim powstać! Serpentynizacja w tak gorącej wodzie po prostu w ogóle nie zachodzi, a najstabilniejszą formą związków węgla w temperaturze kilkuset stopni jest dwutlenek węgla, zatem prebiotyczne związki organiczne, prekursory życia, błyskawicznie by się do CO2 rozpadły, a właściwie w ogóle by w takiej gorącej wodzie nie powstały. Życiodajna serpentynizacja na planecie – samowarze miałaby swoją szansę tylko przez bardzo krótki czas, zanim planeta rozgrzałaby się do stanu samowara, potem okienko czasowe zostałoby na stałe zamknięte. Drugą możliwością byłoby dotarcie na taką planetę bakterii z zewnątrz, z innej bardziej przyjaznej planety, co również nie zdarza się codziennie. Tak czy inaczej planety samowary nie są lokalizacjami, gdzie życie na pewno musi występować, a jeżeli już występuje, to na niskim, nie większym niż II, stopniu złożoności.

A co z naszymi czarnymi oceanami? Tu sytuacja jest tylko nieco lepsza niż w przypadku samowarów. Warunki do powstania życia są bardzo korzystne, natomiast do jego dalszej ewolucji ku bardziej złożonym formom, beznadziejnie słabe. Materia krąży, a energia (życiowa) przepływa, ale przepływa bardzo wąziutką strużką, o dwa rzędy wielkości od ziemskiej wątlejszą. Żyjące w tamtejszych kominach hydrotermalnych czarne ekosystemy składałyby się zatem wyłącznie z prokariontów (poziom I). Ten wniosek jest w pozornej sprzeczności z tym co wiemy o ziemskim środowisku tego typu, które grupuje wokół kominów hydrotermalnych, zwłaszcza tych wulkanicznych, gorących, bardzo złożone biomy, z organizmami poziomu III włącznie, ale trzeba uświadomić sobie, że dzieje się tak tylko dzięki obecności wolnego tlenu. Wydajność oddychania tlenowego wynosi ok 40%, podczas gdy oddychanie w środowisku beztlenowym nie przekracza 1% wydajności. Dlatego tylko w środowisku natlenionym możliwe są bardziej złożone łańcuchy troficzne, zależności typu drapieżnik – ofiara i związany z tym ewolucyjny „wyścig zbrojeń”, co napędza również pozornie odcięte od energii słonecznej ekosystemy kominów. Przy pięciu ogniwach łańcucha pokarmowego ostatnie z nich ma jeszcze przy wykorzystaniu oddychania tlenem do dyspozycji 0,4^5 = 1% pierwotnej energii, podczas gdy w środowisku beztlenowym byłoby to część tylko 0,01^5 = jedna …dziesięciobilionowa. Bez tlenu drapieżnictwo zatem w ogóle się nie opłaca. Tlen zaś może powstać tylko w wyniku pozyskiwania przez procesy życiowe potrzebnych do redukcji CO2 elektronów drogą fotosyntezy z wody. A to z kolei, z uwagi na bardzo silne wiązania chemiczne spajające cząsteczki wody, wymaga energii naprawdę bardzo „wysokiej jakości” (niskiej entropii), jaką tylko światło słoneczne jest w stanie zapewnić. Czarne oceany są zatem beztlenowe, życie w nich nie przekracza poziomu I, a scena spotkania z podwodną cywilizacją z Europy, jaką uraczył widzów James Cameron w filmie „Aliens of the deep” jest czystą fantazją, nigdy nie mającą szans na realizację w praktyce.

W poszukiwaniu zatem Obcych o makroskopowych rozmiarach musimy postawić na planety typu ziemskiego, czy „superziemskiego”, czerpiących energię życiową z promieniowania macierzystej gwiazdy, niekoniecznie będącej Słońcem. Uogólnijmy zatem nasz model:

samo 05

 tak, aby obejmował również takie przypadki. W przeciwieństwie do planet, gwiazdy mogą być traktowane z bardzo dobrym przybliżeniem jako ciała doskonale czarne. Czyli ich moc promieniowania L zależy tylko od dwóch parametrów temperatury Tg i powierzchni:

samo 09

Gdzie r to promień danej gwiazdy

Po podstawieniu otrzymujemy

samo 10

Gdzie k=R/r jest odległością planety od macierzystej gwiazdy wyrażoną w promieniach tejże gwiazdy.

Stała słoneczna, czy też już raczej stała gwiazdowa, wynosi teraz

samo 11

A po uwzględnieniu kulistego kształtu planety, niezerowego albedo i sprawności termodynamicznej n otrzymujemy wzór na energię życiową danej planety, a dokładniej na energię na sekundę na metr kwadratowy, albo moc na powierzchnię:

samo 12

Energia życiowa zależy oczywiście od odległości od gwiazdy (k), ale zależy również od wysokości współczynnika planetarnego P i albedo A. Im są one wyższe, tym energia niższa. Z tego punktu widzenia, dobrodziejstwa efektu cieplarnianego, który może utrzymać ciekłą wodę na powierzchni planet, w innym przypadku, zbyt oddalonych od życiodajnej gwiazdy, są wątpliwe. Co prawda, podnosi on temperaturę, ale poprzez pogorszenie sprawności termodynamicznej, obniża energię życiową.

Mamy zatem udoskonalony, obejmujący nie jeden, jak w pierwszej, prymitywnej wersji, ale dwa parametry – temperaturę i energię życiową, model ekostrefy, możemy za jego pomocą zbadać rzeczywiste podobne do Ziemi planety, odkryte w ciągu ostatnich kilkunastu lat. Grupę najbardziej obiecujących kandydatów, o najwyższym tzw. ESI, czyli Earth Similarity Index, możemy znaleźć na stronie uniwersytetu Puerto Rico w słynnym Arecibo.

Korzystając z danych tam zamieszczonych, obliczymy temperaturę i energię życiową każdej z nich. Największy kłopot sprawi nam wyznaczenie granicy, na której planeta typu „Ziemia” zmienia się w planetę – samowar, czy w przypadku mniejszej masy, w „Wenus”. W Układzie Słonecznym Ziemia leży na izotermie (dla ciała doskonale czarnego) 5 stopni Celsjusza, a Wenus 55 stopni Celsjusza. Pomiędzy tymi izotermami następuje więc stopniowe przejście od „ziemi” do „samowara”. Mechanizm jest dość prosty. Im większa stała słoneczna, tym więcej promieniowania otrzymuje planeta, tym wyższa jej temperatura, a tym samym szybsze parowanie wód powierzchniowych. W cieplejszej atmosferze gromadzi się więcej pary wodnej – podstawowego dla planet z hydrosferą gazu cieplarnianego, oraz tworzy się więcej chmur – mających wysokie albedo i również silnie wzmacniających efekt cieplarniany. W konsekwencji im mocniej podświetlana jest planeta, tym większy jest jej współczynnik planetarny i wyższe albedo, aż do stanu zbliżonego do Wenus, choć w jej przypadku, po utracie wody, zarówno chmury, jak i gazy cieplarniane składają się z innych, cięższych niż woda, związków chemicznych. Po uwzględnieniu tego mechanizmu możemy obliczyć parametry ekostrefy dla znanych planet pozasłonecznych. Zarówno temperaturę, jak i energię życiową obliczono przy założeniu, że owe planety mają zbliżony do Ziemi skład chemiczny, w szczególności posiadają hydrosferę, oraz że mają dostatecznie dużą masę, aby wodę na swojej powierzchni, niezależnie od wysokości temperatur, utrzymać. Siedemnaście planet pochodzi ze wspomnianego katalogu, osiemnasta, ostatnia, to przypadek osobny, o którym dalej.

Ekostrefa tabela

Wyniki są znamienne. Dokładnie wszystkie planety pozasłoneczne, niezależnie od temperatur na ich powierzchniach, mają mniejszą energię życiową od Ziemi. No dobrze. Faktycznie autor musi się w tym momencie przyznać do popełnienia pewnego nadużycia. Założył on bowiem, że wraz ze wzrostem temperatury, zarówno efekt cieplarniany, jak i albedo, rosną liniowo. Tak na pewno nie jest i może się zdarzyć, że niektóre planety, zwłaszcza Kepler – 452b, oraz Wolf 1061c mogą mieć w rzeczywistości niższą, niż podana w tabeli, temperaturę powierzchni, jak również wyższą energię życiową, może nawet wyższą od Ziemi. Jeżeli nawet jednak tak by było, to różnica nie byłaby wielka, najwyżej klika watów na m2. Tak czy owak, okazuje się, że Ziemia ma najwyższą, albo jedną z najwyższych energii życiowych wśród wszystkich planet w Galaktyce. Energia życiowa może wzrosnąć znacząco powyżej tej wartości tylko dla obiektów, które i tak do życia się nie nadają –w rodzaju Księżyca, czy Merkurego. Dla planet potencjalnie życiodajnych, każde zwiększenie stałej słonecznej powyżej „ziemskiego” progu wiąże się jednak ze spadkiem energii życiowej. Czy nie ma innego sposobu na zwiększenie tej energii bez dodatkowego podgrzania planety? Teoretycznie jest. Przepiszmy jeszcze raz wzór na energię życiową, ale nieco inaczej sformułowany

samo 13

Wiemy już że nie możemy zwiększyć stałej słonecznej (gwiazdowej) F powyżej wartości typowej dla Ziemi, bez nieproporcjonalnego wzrostu zarówno wartości albedo A, jak i temperatury planety Tp. Pozostaje jednak jeszcze jedna zmienna. Temperatura gwiazdy Tg. Z zamieszczonej wyżej tabeli możemy się przekonać, że dokładnie wszystkie znane, potencjalnie życiodajne planety pozasłoneczne krążą wokół gwiazd chłodniejszych od Słońca. A gdyby trafiła się jakaś gwiazda od Słońca gorętsza? Np. typu widmowego F, o temperaturze 7000 K, albo nawet A z temperaturą 9 000 K? Taką planetą, co prawda fikcyjną, była znana z historii literatury Arrakis zwana Diuną, krążąca wokół gwiazdy Canopus. Warto zwrócić uwagę, że jej twórca, Frank Herbert już w latach 60 ub. wieku zdawał sobie sprawę, że aby jakiekolwiek życie na Arrakis było możliwe, planeta ta może posiadać na powierzchni jedynie minimalną ilość wody. Podstawiając Canopus (r = 71 promieni Słońca, T = 6998 K), oraz Arrakis (ponieważ jest prawie pozbawiona otwartych zbiorników wody, jest bardziej podobna do Marsa niż do Ziemi P = 1, A = 0,25)  do naszego modelu i umieszczając ją na izotermie 293 Kelwinów (mając mało wody może być Arrakis w związku z tym bardziej od Ziemi podgrzana), otrzymujemy parametry Tp = 293 Kelwinów (20 stopni Celsjusza) i Eż = 300 W/m2, czyli sporo więcej niż dla Ziemi. Nie należy się zatem dziwić, że ekosystem na Arrakis z jego piaskopływakami i szej-huludami jest najbardziej zdumiewający w Galaktyce i jako jedyny potrafi produkować „melanż” zwany „przyprawą”, najbardziej niezwykłą i pożądaną substancję znaną w ludzkim kosmosie.

Nieprzypadkowo jednak Arrakis jest tylko fikcją literacką. Gwiazdy jaśniejsze od Słońca, w tym Canopus, przysparzają bowiem z punktu widzenia potencjalnego istnienia wokół nich biosfery, wiele problemów. Po pierwsze jest ich w ogóle mało. Słońce czasami nazywa się w publikacjach popularnonaukowych „przeciętną gwiazdą”, ale naprawdę Słońce jest jaśniejsze od 90% gwiazd w Galaktyce. Gwiazd znacząco jaśniejszych, takich jak Canopus, typu F lub „wyżej”, jest raptem kilka procent. Po drugie widma tych jaśniejszych gwiazd są znacznie agresywniejsze, z dużo większą niż u Słońca ilością nadfioletu, który dla form życia opartych na znanej biochemii (a inna jest raczej mało prawdopodobna) jest zabójczy. Nawet na Arrakis, aby utrzymać ziemską florę w oranżerii, władcy planety musieli zainstalować specjalne filtry odcinające najbardziej energetyczną część widma Canopusa. (chociaż ustępując przed wymogami fabuły, Fremeni sadzą ziemskie rośliny pod otwartym niebem bez żadnych zabójczych dla owych roślin skutków). Na takich planetach życie lądowe jest raczej wykluczone. Wreszcie, co najważniejsze, większe, jaśniejsze gwiazdy żyją szybko i umierają młodo. Czas, jaki gwiazda spędza na tzw. ciągu głównym, świecąc w miarę równo i stabilnie, można oszacować, wiedząc, że reakcje termojądrowe w jej wnętrzu przerabiające jądra wodoru na hel i energię działają z wydajnością ok 0,7% i że gwiazda może przerobić w ten sposób ok 10% swojej masy, zanim przejdzie w kolejne stadium swojej ewolucji i opuści ciąg główny. Zatem:

samo 14

 Gdzie c to oczywiście prędkość światła, a Mg masa gwiazdy. Obliczona w ten sposób długość życia Słońca to 10,5 mld lat, Proximy Centauri 800 mld lat (w rzeczywistości dłużej, bo tak małe gwiazdy mogą w ciągu głównym zużyć znacznie więcej niż 10% swojego wodoru), natomiast Canopusa zaledwie …7,6 mln lat. Czas zatem, w jakim Arrakis nadaje się do zamieszkania jest o wiele za krótki, aby cokolwiek bardziej złożonego, nawet mając do dyspozycji wysoki poziom energii życiowej, mogło wyewoluować. Nie koniec to jednak problemów. To, że gwiazda przebywa na ciągu głównym, nie oznacza, że w tym czasie nic się z nią nie dzieje. W ciągu tego okresu temperatura, jak i promień gwiazdy, a zatem i ilość emitowanej energii również się zmieniają i to dość znacząco. Słońce staje się jaśniejsze mniej więcej o 10% na każdy miliard lat przebywania w ciągu głównym, co ma oczywiście wpływ na ziemską biosferę. W odległych epokach geologicznych, energia życiowa Ziemi, choć niekoniecznie podtrzymywana przez dużo silniejszy niż dziś efekt cieplarniany temperatura, była mniejsza niż obecnie i konsekwentnie życie ziemskie miało niski poziom komplikacji. Przez 2 miliardy lat nie przekraczało poziomu I, potem przez kolejny miliard, zwany nie bez kozery nudnym miliardem, poziomu II. Okres ten zakończony został dość nagłym zmniejszeniem się ziemskiego efektu cieplarnianego, co spowodowało serię potężnych zlodowaceń, zwanych też „ziemią śnieżką”. Współczynnik planetarny Ziemi obniżył się znacznie, zatem podniosła się też energia życiowa i tym samym ziemska biosfera mogła przejść na poziom III. Dalsze rozgrzewanie się Słońca i kolejna seria zlodowaceń (czyli zmniejszenia się P) w karbonie i permie podniosło ziemskie życie na poziom IV, wreszcie ostatnia redukcja efektu cieplarnianego i zlodowacenie plejstoceńskie na poziom V. Inteligentne istoty z poziomu V sięgnęły po inne niż fotosynteza źródła energii i rozpoczęły budowę, ledwo 200 lat temu, cywilizacji, czyli poziomu VI. Obecnie ziemski efekt cieplarniany jest bardzo niewielki i dalej już obniżony być nie może, a zatem i energia życiowa osiągnęła swoje maksimum. Dalsze podgrzewanie będzie popychać Ziemię już w stronę samowara i za miliard lat, znacznie wcześniej niż Słońce opuści ciąg główny, życie na Ziemi w ogóle przestanie być możliwe.

Powstanie zatem inteligencji (poziomu V) i cywilizacji naukowo technicznej (VI) nie są możliwe na planetach obiegających gwiazdy mniejsze i chłodniejsze od Słońca, bo poziom energii życiowej i tym samym możliwy poziom komplikacji żywych organizmów jest tam zbyt niski. Nie są jednak także możliwe wokół gwiazd większych i gorętszych, bo zmieniają się one zbyt szybko i emitują za dużo szkodliwego ultrafioletu. Zakres możliwych dla zaistnienia cywilizacji mas i jasności gwiazd jest zatem niespodziewanie wąski. Podobnie wąski jest zakres czasowy w jakim cywilizacja może powstać, nawet wokół właściwej gwiazdy. Pół miliarda lat temu nie było to jeszcze na Ziemi możliwe, za pół miliarda lat będzie już na to za późno. W dodatku, nawet przy maksymalnym obecnym poziomie Eż, przejście na poziom V i VI też nie musi być wcale automatyczne i nieuchronne. Per analogiam, o ile osiągniecie poziomu III i IV odbyło się na Ziemi w sposób polifiletyczny, czyli wiele razy niezależnie w różnych taksonach ewolucyjnych, o tyle z kolei poziom II został osiągnięty wyłącznie raz – monofiletycznie, co świadczy o tym, że sam odpowiedni poziom energii życiowej, który warunkuje też obecność tlenu w środowisku, nie wystarczy do tego celu i potrzebne były jakieś dodatkowe czynniki, których wystąpienie było mało prawdopodobne. Tak samo może być i z poziomem V, czy VI.

O ile samo życie jest więc zapewne we Wszechświecie czymś powszechnym i często spotykanym, o tyle cywilizacje muszą być ekstremalnie mało prawdopodobną odchyłką od średniej, a ich powstanie wymaga wstrzelenia się w bardzo rzadko występujące warunki. Nie należy się zatem dziwić paradoksowi Fermiego i fiasku programu SETI. To nieunikniona konsekwencja praw termodynamiki.

Oczywiście opisana zależność poziomu komplikacji od energii życiowej ma charakter statystyczny. W końcu wszystkie te wartości są wartościami średnimi, a w obrębie całej planety wartość temperatury i energii życiowej może się zmieniać w stopniu bardzo znacznym. Nie można zatem wykluczyć, że poziom komplikacji biosfery może wzrosnąć i na globach o niższej energii życiowej, o ile będzie zapewniona odpowiednia ilość czasu. Dużych zasobów tego ostatniego dostarczają gwiazdy mniejsze od Słońca, które zmieniają się znacznie wolniej i żyją znacznie dłużej. Jeżeli jednak powstanie cywilizacji na planetach czerwonego karła wymagałoby średnio np 20 mld lat, to nie należy się dziwić, dlaczego takich cywilizacji jeszcze nie ma. Wszechświat nie jest na to po prostu wystarczająco stary. Ale przecież kiedyś będzie. Jeżeli prawdopodobieństwo powstania cywilizacji faktycznie zależy, w jakimś stosunku, od poziomu dostępnej energii życiowej, to powstawanie cywilizacji byłoby wtedy podyktowane tempem ewolucji gwiazd, a nasza ziemska cywilizacja miała akurat szczęście powstać koło największej możliwej nadającej się do tego celu gwiazdy, zatem też w najwcześniejszym możliwym terminie. Ale era cywilizacji w dziejach Wszechświata jeszcze się na dobre nie rozpoczęła i dlatego, póki co, musimy cierpieć samotność.

Jeśli chcesz wiedzieć więcej, przeczytaj:

[1] Artymowicz P. „Astrofizyka układów planetarnych” Wydawnictwo naukowe PWN 1995

[2] Lane N. ”Pytanie o życie. Energia, ewolucja i pochodzenie życia” Prószyński i s-ka 2016

[3] Lane N. „Największe wynalazki ewolucji” Prószyński i s-ka 2012

[4] Weiner J. „Życie i ewolucja biosfery” Wydawnictwo naukowe PWN 2008

[5] Shu F. „Galaktyki, gwiazdy, życie” Prószyński i s-ka 2003

[6] Stocker H. „Nowoczesne kompendium fizyki” Wydawnictwo naukowe PWN 2010

[7] Kubiak M. „Gwiazdy i materia międzygwiazdowa” Wydawnictwo naukowe PWN 1994

[8] Postberg F, Tobie G., Dambeck T. „Pod morzami Enceladusa” „Świat nauki” nr 303 listopad 2016

[9] Adamczyk M. „A kosmos milczy, milczy, milczy…” Astronomia nr 28 październik 2014

[10] Adamczyk M. „Trzy kolory. Czerwony nie zmieni się w niebieski, ale biały tak” Astronomia nr 48 czerwiec 2016

Planety podobne do Ziemi:

[11] http://phl.upr.edu/projects/habitable-exoplanets-catalog

Planety pozasłoneczne

[12] http://exoplanet.eu/catalog/

[13] http://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/index.html

 

 

5 myśli na temat “Czwarty element. Samowary, czarne oceany i to coś pomiędzy.

  1. Zmodyfikowałbym nieco tą „drabinę organizmów”. Dla poziomu III można odpuścić te tkanki, zresztą takie grzyby realnie ich nie mają. W ramach ciekawostki, brunatnice, które osiągnęły ten poziom tak naprawdę roślinami nie są, a krasnorosty to co najwyżej bliscy krewni roślin (ale wielokomórkowość osiągnęły niezależnie). Dodałbym też dodatkowy poziom w miejsce dotychczasowego IV (przesuwając obecny IV i wyższe o jedno oczko do góry) – organizmy z prostym układem nerwowym (tu większość zwierząt, gąbki jednak pozostają na stopniu III). Dlaczego to ważne – bo ten nowy stopień IV też jest monofiletyczny, co sugeruje, że szanse jego osiągnięcia są stosunkowo niskie.

    Polubienie

    1. Powstanie prymitywnego układu nerwowego, może jest i trudne i mało prawdopodobne, ale nie oznacza skokowego zwiększenia komplikacji organizmów, a przynajmniej nie bardziej niż inne tkanki. Poziom III zaś to nie sama wielokomórkowość. Wielokomórkowość to zwiększenie rozmiarów, ale niekoniecznie komplikacji. Dopiero zróżnicowanie komórek w organizmie na osobne funkcje/tkanki uzasadnia wydzielenie kolejnego poziomu.

      Polubienie

      1. 1) Powstanie zaawansowanego układu nerwowego (tego od życia społecznego) także nie oznacza skokowego zwiększenia komplikacji organizmów. Właściwie wzrost tej komplikacji jest sporo mniejszy od wywołanego powstaniem jakiegokolwiek układu nerwowego. W końcu różnica między komplikacją ssaków i gadów jest dużo mniejsza (o ile jakakolwiek) niż różnica między komplikacją gadów i gąbek. A w sumie to i między komplikacją meduz i gąbek.
        2) „Metabolizm informacyjny”. Najprymtywniejsza stułbia przetwarza informacje w sposób o wiele rzędów wielkości bardziej złożony, niż najskomplikowańszy morszczyn, czy sekwoja.
        3) Układ nerwowy nie istnieje samoistnie. Realnie mamy tu układ „nerwowo-mięśniowy” (podstawowa funkcja układu nerwowego to w końcu kontrola aktywnej motoryki). To daje pewne ciekawe implikacje. Tak więc jest to cecha organizmów zdolnych do samodzielnego poruszania się, aktywnego poszukiwania pokarmu i koreproduktorów, aktywnego unikania zagrożeń. To oznacza także odpowiednie zapotrzebowanie energetyczne. I tu tak różnica między unerwionym a nieunerwionym będzie raczej sporo większa niż między unerwionym a bardzo unerwionym.
        4) Pewna pochodna punktu trzeciego. Aktywna motoryka wymaga określonego kształtu. Dla sosny wyabstrahowanej ze środowiska jest bez znaczenia ile będzie miała gałęzi i jak rozmieszczonych, końcowy wynik jest efektem reakcji fenotypu na środowisko. Dla karalucha kwestia ilości i rozmieszczenia kończyn jest już cokolwiek fundamentalna. O ile wielokomórkowość czy nawet tkankowość wymaga jedynie zgrubnego przepisu, to unerwienie wymaga już planu budowy. Co wymaga sporo większej homeostazy, homeotyki, kontroli nad ontogenezą. W sumie jest to jedna z przyczyn punktu pierwszego, co prowadzi do określonych wniosków w kwestii wpływu unerwienia na zorganizowanie i komplikację organizmu.

        Polubienie

          1. Trochę ta korekta dziwnie wygląda, bo rośliny naczyniowe za bardzo układu nerwowego nie mają 🙂
            Swoją drogą ciekawostka, w miarę złożone wielokomórkowce nieunerwione są sporo młodsze od wielokomórkowców unerwionych. W końcu jedyny przedstawiciel (naczyniowe) pojawił się dopiero po wyjściu roślin na ląd. W tym czasie w morzu pływały już ryby. Nie bardzo widać też w materiale kopalnym złożonych tkankowców nieunerwionych, które mogłyby być przodkami unerwionych. Zresztą chyba nie są one potrzebne, najprymitywniejsze jamochłony to w sumie organizmy o bardzo prymitywnej budowie (raptem ekto- i endoderma z mezogleą pomiędzy). Trochę to wygląda, jakby unerwienie pojawiło się na bardzo wczesnym poziomie komplikacji, u jakichś prostych kolonii wiciowców kołnierzykowatych, gdy to wszystko było na poziomie jakiegoś toczka (te, które się na nerwy nie załapały skończyły jako gąbki i grzyby).

            Polubienie

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj /  Zmień )

Połączenie z %s