Визуализация поверхностных течений океана Гольфстрима. ©NASA / Центр космических полетов имени Годдарда. Студия научной визуализации.

Исследователи по всему миру уже давно решают этот вопрос: Есть ли жизнь на других планетах, и если да, то как ее найти? Столкнувшись с тысячами планет для исследования за пределами нашей Солнечной системы, ученые должны найти способ предсказать, какие экзопланеты, вероятнее всего, являются носителями жизни. Чтобы упростить задачу, их прогнозы должны основываться на наблюдениях, которые могут быть сделаны на расстоянии световых лет, например, на размерах, массе и составе атмосферы экзопланеты.

В недавней публикации в Астрофизическом журнале Чикагского университета планетарный ученый Стефани Олсон представила новую модель, которая предсказывает, как модели циркуляции океанов могут влиять на благосклонность жизни на этой планете. Эти факторы могут направлять ученых в поисках жизни на других планетах, и результаты исследований позволяют предположить, что поиск планеты, точно такой же, как Земля, может не привести нас к наиболее вероятным местам, где существует инопланетная жизнь.

“Небольшой объем предыдущих работ по экзопланетным океанам был сосредоточен в основном на их воздействии на климат”, – сказал соавтор и доцент Дориан Эббот (Dorian Abbot) из Чикаго. “Это исследование начинает процесс оценки воздействия циркуляции океана на круговорот питательных веществ, биологическую продуктивность и, потенциально, обнаруживаемость жизни на экзопланетах”.

Модели циркуляции могут оказать драматическое воздействие на жизнеспособность жизни в океане. Большая часть жизни в океане на планете Земля существует в верхнем слое, который получает солнечный свет для поддержки фотосинтезирующих организмов и обменивается газами с атмосферой. Этот смешанный слой постоянно теряет питательные вещества в более глубоких, неподвижных регионах океана по мере того, как мертвые организмы тяготеют вниз под действием силы тяжести.

Возврат этих питательных веществ в жизнеобеспечивающий смешанный слой зависит от процесса, известного как апвеллинг. Апвеллинг происходит в определенных местах, где ветер заставляет поверхностные воды расходиться, а глубокие воды стекают вверх, чтобы заменить их, принося с собой питательные вещества, которые питают жизнь.

“Если посмотреть на жизнь в наших океанах, то она в подавляющем большинстве концентрируется в тех регионах, где есть апвеллинг”, – сказал Олсон, научный сотрудник Отделения геофизических наук после защиты докторской диссертации Т.С. Чемберлина.

Олсон использовал модель для изучения того, как небольшие изменения в наблюдаемых признаках, таких как размер планеты или скорость вращения, могут резко повлиять на количество апвеллингов в океане экзопланеты и, таким образом, благоприятствовать или неблагоприятно влиять на жизнь на поверхности океана.

“Мы обнаружили, что планеты, которые вращаются медленнее Земли, имеют более высокое поверхностное давление, чем Земля, и более соленые океаны, чем на Земле, могут испытывать более сильное апвеллинговое воздействие”. Это может привести к более активной фотосинтетической жизни, и в конечном итоге это может проявиться в виде более заметной фотосинтетической жизни”, – сказал Олсон. “Это те типы планет, которым мы должны уделять первостепенное внимание при изучении жизни, и это те типы планет, на которых, если мы не найдем жизнь, необнаружение может быть более значимым”.

Эти результаты контрастируют с общим мнением о приоритизации экзопланет: наш лучший шанс найти жизнь – это найти экзопланету с как можно большим количеством сходных с Землей черт.

“Это исследование мотивирует расширение наших поисков за пределы аналогов Земли и рассмотрение вопроса о том, могут ли существовать планеты, которые могут быть лучшими хозяевами для жизни, чем сама Земля.”

В частности, Олсон обнаружил, что некоторые особенности экзопланет, отличающиеся от Земли, могут привести к большему количеству газовых признаков биологической активности в атмосфере – таких, как кислород и метан, – что жизнь на этих планетах легче обнаружить издалека.

Модель Олсона не только информирует о поиске жизни на других планетах, но и может дать информацию о закономерностях циркуляции океана на Земле и позволяет получить представление как о прошлом, так и о будущем жизни на нашей планете.

За время истории Земли изменились скорость вращения, поверхностное давление и яркость Солнца. Модель Олсона говорит о том, что все эти изменения со временем увеличили восходящее течение и, возможно, привели к расцвету жизни в наших океанах.

Кроме того, Олсон с удивлением обнаружил, что увеличение солености – количество соли, растворенной в нашем океане, – может резко повлиять на климат Земли. Ее модель показала, что если мы удвоим количество соли в нашем океане, то это вызовет таяние всего морского льда и приведет к потеплению планеты на 6 градусов по Цельсию.

“Если фактор разницы в солености настолько важен для климата планеты, то соленость океана – это то, о чем нам действительно нужно думать с точки зрения климатической эволюции нашей собственной планеты”, – сказала Олсон.

Модель Олсона предсказывает это и другие удивительно ярко выраженные изменения в циркуляции океана и климата, тонко изменяя характеристики земной планеты, по одному параметру за раз. Возможны и более драматические последствия, если параметры будут изменяться в тандеме для более точного отражения того, как характеристики экзопланеты могут отличаться от характеристик Земли, что откроет практически безграничные возможности для изучения сценариев”.

“Океаны – это действительно динамическая среда обитания, и мы только что поцарапали их поверхность”, – сказал Олсон. “Мое видение заключается в том, что люди будут в восторге от этого и продолжат работать и исследовать еще более экзотические возможности”.