Команде из UNIGE, NCCR PlanetS и CNRS удалось полностью смоделировать безудержный парниковый эффект, который может сделать планету полностью непригодной для жизни.
Земля – это чудесная сине-зеленая точка, покрытая океанами и жизнью, в то время как Венера – желтоватая стерильная сфера, которая не только негостеприимна, но и стерильна. Однако разница в температуре между ними составляет всего несколько градусов. Команда астрономов из Женевского университета (UNIGE) и сотрудников Национального центра компетенций в области исследований планет (NCCR) при поддержке лабораторий CNRS в Париже и Бордо впервые в мире смогла смоделировать весь процесс создания парниковых газов, который может преобразовать климат планеты из идиллического и идеального для жизни в место более чем суровое и враждебное. Ученые также продемонстрировали, что на начальных стадиях процесса структура атмосферы и облачный покров претерпевают значительные изменения, что приводит к почти неудержимому и очень сложному для обращения вспять безудержному парниковому эффекту. На Земле повышения глобальной средней температуры всего на несколько десятков градусов, последовавшего за небольшим повышением яркости Солнца, было бы достаточно, чтобы инициировать это явление и сделать нашу планету пригодной для жизни.
Идея о бегстве парникового эффекта не нова. В этом сценарии планета может эволюционировать из состояния умеренного климата, подобного земному, в настоящий ад с температурой поверхности выше 1000°C. Причина? Водяной пар, природный парниковый газ. Водяной пар препятствует повторному излучению солнечного излучения, поглощаемого Землей, в космическую пустоту в виде теплового излучения. Он немного задерживает тепло, как спасательное одеяло. Небольшой парниковый эффект полезен – без него средняя температура Земли была бы ниже точки замерзания воды, она выглядела бы как шар, покрытый льдом и враждебный жизни.
Напротив, слишком сильный парниковый эффект увеличивает испарение океанов и, следовательно, количество водяного пара в атмосфере. «Существует критический порог для этого количества водяного пара, за пределами которого планета больше не может остывать. Оттуда все уносится прочь, пока океаны в конечном итоге полностью не испарятся, а температура не достигнет нескольких сотен градусов», — объясняет бывший аспирант кафедры астрономии научного факультета UNIGE и главный автор исследования Гийом Шаверо.
«До сих пор другие ключевые исследования в области климатологии были сосредоточены исключительно либо на умеренном климате до побега, либо на пригодном для жизни состоянии после побега», — рассказывает Мартин Турбет, научный сотрудник лабораторий CNRS в Париже и Бордо и соавтор исследования. «Это первый случай, когда команда изучила сам переход с помощью трехмерной глобальной климатической модели и проверила, как климат и атмосфера эволюционируют в ходе этого процесса».
Один из ключевых моментов исследования описывает появление очень своеобразного рисунка облаков, усиливающего эффект убегания и делающего процесс необратимым. «С самого начала перехода мы можем наблюдать, как в верхних слоях атмосферы образуются очень плотные облака. На самом деле, последняя больше не демонстрирует температурную инверсию, характерную для земной атмосферы и разделяющую два ее основных слоя: тропосферу и стратосферу. Структура атмосферы сильно изменилась», — отмечает Гийом Шаверо.
Серьезные последствия для поиска жизни в других местах
Это открытие является ключевой особенностью для изучения климата на других планетах, и в частности на экзопланетах – планетах, вращающихся вокруг других звезд, отличных от Солнца. «Изучая климат на других планетах, одной из наших самых сильных мотиваций является определение их потенциала для размещения жизни», — указывает Эмелин Болмонт, доцент и директор Центра изучения жизни во Вселенной UNIGE (LUC) и соавтор исследования.
LUC руководит самыми современными междисциплинарными исследовательскими проектами, касающимися происхождения жизни на Земле и поиска жизни в других частях нашей Солнечной системы и за ее пределами, в экзопланетных системах. «После предыдущих исследований мы уже подозревали о существовании порога водяного пара, но появление этого облачного рисунка стало настоящим сюрпризом!» — рассказывает Эмелин Больмонт. «Мы также параллельно изучали, как этот облачный узор может создавать специфическую сигнатуру, или «отпечаток пальца», обнаруживаемый при наблюдении за атмосферами экзопланет. Приборы следующего поколения должны быть способны обнаружить это», — рассказывает Мартин Турбет. Команда также не намерена останавливаться на достигнутом, Гийом Шаверо получил исследовательский грант для продолжения этого исследования в «Институте планетологии и астрофизики Гренобля» (IPAG). Этот новый этап исследовательского проекта будет сосредоточен на конкретном примере Земли.
Планета Земля в хрупком равновесии
С помощью своих новых климатических моделей ученые подсчитали, что очень небольшого увеличения солнечной радиации, приводящего к повышению глобальной температуры Земли всего на несколько десятков градусов, было бы достаточно, чтобы запустить этот необратимый процесс на Земле и сделать нашу планету такой же негостеприимной, как Венера. Одной из текущих климатических целей является ограничение глобального потепления на Земле, вызванного парниковыми газами, всего до 1,5 градусов к 2050 году. Один из вопросов исследовательского гранта Гийома Шаверо состоит в том, чтобы определить, могут ли парниковые газы запустить ускоренный процесс, как это может сделать небольшое увеличение яркости Солнца. Если да, то следующим вопросом будет определение того, одинаковы ли предельные температуры для обоих процессов.
Таким образом, Земля не так уж далека от этого апокалиптического сценария. «Если предположить, что этот безудержный процесс начнется на Земле, испарение всего 10 метров поверхности океанов приведет к повышению атмосферного давления на уровне земли на 1 бар. Всего через несколько сотен лет температура земли превысит 500°C. Позже мы даже достигнем 273 бар поверхностного давления и более 1500°C, когда все океаны в конечном итоге полностью испарятся», — заключает Гийом Шаверо.
Центр «Жизнь во Вселенной» (LUC) — междисциплинарный исследовательский центр Женевского университета (UNIGE), основанный в 2021 году после присуждения в 2019 году Нобелевской премии по физике профессорам Мишелю Майору и Дидье Келозу.