Κατοικησιμότητα:Ατμοσφαιρική συνέπεια;

Έχουν ανακαλυφθεί περισσότεροι από 3000 πλανήτες έξω από το ηλιακό μας σύστημα. Περίπου 20 από αυτούς είναι «πλανήτες Goldilocks», πλανήτες που περιφέρονται γύρω από την περιοχή γύρω από ένα αστέρι, όπου η πιθανότητα να παρουσιαστούν συνθήκες κατάλληλες για κατοικησιμότητα αυξάνεται. Σε αυτήν την περιοχή, που ονομάζεται κατοικήσιμη ζώνη, η απόσταση μεταξύ του πλανήτη και του άστρου επιτρέπει θερμοκρασίες όπου ο πλανήτης μπορεί να παρουσιάσει μια υγρή επιφάνεια ωκεανού, την ελάχιστη προϋπόθεση κατοικιμότητας.

Συνήθως, οι πλανήτες εκτός της κατοικήσιμης ζώνης θεωρούνται μη κατοικήσιμοι. Ένας πλανήτης κοντά στο άστρο υποδοχής του μπορεί να υποφέρει από την εξάτμιση της ατμόσφαιράς του λόγω των υψηλών θερμοκρασιών. Εν τω μεταξύ, ένας πλανήτης που βρίσκεται μακριά από το άστρο υποδοχής του μπορεί να παγώσει. Ωστόσο, όταν σκεφτόμαστε τη μελλοντική εξερεύνηση του διαστήματος, οι ήπιες θερμοκρασίες και η ύπαρξη υγρού ωκεανού θα εξασφαλίσουν την κατοικησιμότητα των θηλαστικών;

Ένας τρόπος για να μελετήσουμε εάν πλανήτες με χαρακτηριστικά παρόμοια με τη Γη (πλανήτες που μοιάζουν με τη Γη) είναι κατοικήσιμοι είναι να θεωρήσουμε την κατοικησιμότητα ως ατμοσφαιρική συνέπεια. Τα στοιχεία που παρέχονται από την τρέχουσα υπερθέρμανση του πλανήτη της Γης δείχνουν ότι ορισμένες περιοχές έχουν γίνει αφιλόξενες λόγω των υψηλών θερμοκρασιών και σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να προκαλέσουν το θάνατο των κατοίκων της από υπερθερμία.

Τα θηλαστικά χρησιμοποιούν την εξάτμιση ως μηχανισμό ψύξης όταν οι θερμοκρασίες του αέρα αυξάνονται μαζί με την αύξηση της σχετικής υγρασίας. Σταματάμε να διαχέουμε την εσωτερική θερμότητα, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε υπερθερμία ή θάνατο λόγω θερμικού σοκ. Οι Sherwood et al., 2010 χρησιμοποίησαν τη θερμοκρασία υγρού λαμπτήρα (Tw) ως ατμοσφαιρικό δείκτη κατοικιμότητας σε ένα μελλοντικό σενάριο γήινης υπερθέρμανσης του πλανήτη. Το Tw σχετίζεται με τη θερμοκρασία του αέρα και τη σχετική υγρασία, υποδεικνύοντας το όριο όπου συμβαίνει ο θάνατος από θερμικό σοκ στα θηλαστικά, Tw> 35 ºC.

Το σχήμα 1 δείχνει πώς αλλάζει το Tw όταν αυξάνεται η υγρασία στο περιβάλλον για ορισμένες τιμές της θερμοκρασίας του αέρα. Όταν η θερμοκρασία του αέρα είναι χαμηλότερη από 30ºC, δεν εμφανίζεται υπερθερμία, ακόμη και με σχετική υγρασία 100% (πράσινη περιοχή). Ωστόσο, όταν η θερμοκρασία του αέρα αυξάνεται πάνω από 40ºC, εμφανίζεται υπερθερμία ακόμη και με χαμηλές τιμές σχετικής υγρασίας (κόκκινη περιοχή). Στη Γη, η υψηλότερη θερμοκρασία αέρα που καταγράφηκε στους 56,7ºC σημειώθηκε στην Κοιλάδα του Θανάτου (ΗΠΑ) στις 10 Ιουλίου 1913. Σε αυτή τη θερμοκρασία του αέρα, η υπερθερμία εμφανίζεται μόνο με το 20% της σχετικής υγρασίας.

Αυτή η τιμή υποδεικνύει πόσο σημαντικό είναι να λαμβάνεται υπόψη η ατμόσφαιρα κατά την περιγραφή της κατοικιμότητας ενός πλανήτη.

Η ατμοσφαιρική δραστηριότητα ενός πλανήτη εξαρτάται κυρίως από την ακτινοβολία βραχέων κυμάτων του αστέρα-ξενιστή. Αυτή η ακτινοβολία εξαρτάται από την απόσταση πλανήτη-αστέρων και τον τύπο του ίδιου του αστεριού, καθώς αυτό καθορίζει την ποσότητα ακτινοβολίας που δέχεται ο πλανήτης στην κορυφή της ατμόσφαιράς του. Ο τρόπος με τον οποίο η ακτινοβολία κατανέμεται γεωγραφικά εξαρτάται από το σχήμα και την κλίση του πλανήτη, τη γωνία που σχηματίζεται μεταξύ του άξονα περιστροφής του και του τροχιακού του επιπέδου (βλ. Εικ. 2).

Στη Γη, με τρέχουσα κλίση 23,5º, η υψηλότερη απορρόφηση ηλιακής ακτινοβολίας παρατηρείται στον Ισημερινό, αυξάνοντας τις επιφανειακές θερμοκρασίες στην περιοχή, οι οποίες μειώνονται προς τους Πόλους. Αυτή η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του Ισημερινού και των Πόλων παράγει μια ροή αέριων μαζών που εξισορροπούν τις θερμοκρασίες μεταξύ των δύο περιοχών.

Πώς μπορεί η λοξότητα να επηρεάσει την κατοικησιμότητα ενός πλανήτη που μοιάζει με τη Γη; Για να απαντήσουμε σε αυτό το ερώτημα, χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο γενικής κυκλοφορίας, προσομοιώνουμε την παγκόσμια ατμοσφαιρική δραστηριότητα μεταβάλλοντας την λοξότητα μεταξύ 30º και 90º ενός υδροπλανήτη που μοιάζει με τη Γη, ενός πλανήτη όπως η Γη αλλά καλύπτεται πλήρως από έναν υγρό ωκεανό, χωρίς ηπείρους. που διατηρεί τα γήινα χαρακτηριστικά ως προς το μέγεθος και την απόστασή του από ένα αστέρι τύπου Ήλιου.

Τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντικές διαφορές στην ατμοσφαιρική δραστηριότητα του υδροπλανήτη που μοιάζει με τη Γη, καθώς η λοξότητα καθορίζει τη γεωγραφική κατανομή της εισερχόμενης ακτινοβολίας στην κορυφή της ατμόσφαιρας, καθώς οι περιοχές με την υψηλότερη απορρόφηση ακτινοβολίας αντιστρέφονται σε σχέση με αυτήν που παρατηρείται στη Γη . Καθώς η λοξότητα αυξάνεται, τόσο υψηλότερες θερμοκρασίες εμφανίζονται στους Πόλους. Πάνω από τους 54º, οι αέριες μάζες κινούνται προς τον Ισημερινό, την περιοχή με τη χαμηλότερη θερμοκρασία, προκαλώντας την αλλαγή στην κατεύθυνση του καθεστώτος του ανέμου.

Τέλος, μελετήσαμε την κατοικησιμότητα αυτών των πλανητών χρησιμοποιώντας το Tw. Το σχήμα 3 δείχνει τον διαμήκη μέσο όρο του Tw για κάθε τιμή λοξότητας, οι μήνες όπου κάθε γεωγραφικό πλάτος είναι κατοικήσιμο εμφανίζεται μεταξύ 0% και 100%.

Ετησίως, πλανήτες με κλίση μεταξύ 30º και 54º παραμένουν στην κατοικήσιμη περιοχή (Tw <35ºC) καθ' όλη τη διάρκεια του έτους σε όλα τα γεωγραφικά πλάτη. Στις 54º της λοξότητας, παρατηρείται αύξηση της εξάτμισης του ωκεανού, προκαλώντας αύξηση της σχετικής υγρασίας προς τους πόλους, η οποία μειώνει την κατοικησιμότητα του στο 50% των περιπτώσεων. Μόνο η περιοχή κοντά στον Ισημερινό έχει 100% χρονικό πλαίσιο για κατοικησιμότητα σε πλανήτες με υψηλή λοξότητα.

Αν εφαρμόσουμε την ίδια μελέτη στον πλανήτη μας, βλέπουμε ότι η περιοχή μεταξύ +-40ºLat παραμένει κατοικήσιμη καθ' όλη τη διάρκεια του έτους. Ωστόσο, η κατοικησιμότητα στη Γη μειώνεται προς τους πόλους, λόγω των χαμηλών θερμοκρασιών. Ακόμη και όταν ο κίνδυνος της υποθερμίας είναι δυνατόν να αποφευχθεί, ο πλανήτης μας είναι λιγότερο κατοικήσιμος από τον υδροπλανήτη που μοιάζει με τη Γη.

Η περιγραφή της κατοικιμότητας ως ατμοσφαιρική συνέπεια επιβεβαιώνει την ανάγκη να μελετήσουμε τόσο τη θερμοκρασία του αέρα όσο και τη σχετική υγρασία σε μελλοντικές διαστημικές αποστολές που έχουν σχεδιαστεί για τον ανθρώπινο αποικισμό.

Αυτά τα αποτελέσματα περιγράφονται στο άρθρο Ατμοσφαιρική δυναμική και εύρος κατοικησιμότητας σε προσομοιώσεις πλάγιας πλάτης που μοιάζουν με τη Γη, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Icarus . Η εργασία αυτή αποτελεί μέρος της διδακτορικής διατριβής της Priscilla Nowajewski, στην οποία συνεργάστηκε με τον Dra. Η Maisa Rojas, κλιματολόγος, και ο Δρ. Patricio Rojo, αστρονόμος, και οι δύο από το Πανεπιστήμιο της Χιλής, και ο Δρ. Stefan Kimeswenger από το Universidad Católica del Norte.

Αυτή είναι η πρώτη χιλιανή μελέτη που διερευνά την ατμοσφαιρική δυναμική των εξωπλανητών. Η Priscilla αυτή τη στιγμή επιδιώκει να προωθήσει την ανάπτυξη αυτής της περιοχής στη Χιλή.