Астрономія
Астрономія

Астрономи дослідили вуглецевий цикл землеподібних екзопланет

Дослідники створили моделювання, що пов’язало вуглецевий цикл і конвекцію мантії землеподібних екзопланет. Вони виявили, що кругообіг вуглецю ефективніший на планетах із високим вмістом торію та урану в мантії, а також залежить від масової частки ядра. Стаття про це надрукована у журналі Astronomy & Astrophysics.

NASA Ames, JPL-Caltech, T. Pyle / Wikimedia Commons

NASA Ames, JPL-Caltech, T. Pyle / Wikimedia Commons

Яке значення для планет має вуглецевий цикл?

Тривалий вуглецевий цикл може виконувати роль планетарного термостата. Цей механізм впливає на розвиток глобального клімату протягом геологічних часових масштабів завдяки обміну вуглекислим газом між атмосферою та океаном, корою і мантією планети. Силікатне вивітрювання впливає на кількість цього газу в атмосфері та залежить від температури поверхні. Якщо температура стає нижчою, швидкість вивітрювання пригнічується, дозволяючи вуглекислому газу накопичуватися в атмосфері із часом через вулканічні викиди. І навпаки, висока температура поверхні призводить пришвидшує вивітрювання, видаляючи більше атмосферного вуглекислого газу. Вуглець, видалений з атмосфери, відкладається на дні моря у вигляді карбонатних порід. Внаслідок руху літосферних плит він транспортується до мантії, а внаслідок дегазації у вулканічних дугах потрапляє назад в атмосферу. Вважається, що довготривалий кругообіг вуглецю дозволив Землі підтримувати на своїй поверхні температури, сприятливі для еволюції життя, незважаючи на значне підвищення світності Сонця з часу утворення планети.

Яке дослідження провели вчені?

Дослідники оцінили, як завдяки тектоніці плит внутрішнє середовище землеподібних планет впливає на тривалий вуглецевий цикл. Зокрема, вони аналізували роль великої кількості радіоактивних ізотопів, розміру ядра та маси планети на еволюцію парціального тиску атмосферного вуглекислого газу. Крім того, вчені дослідили параметри, за яких тектоніка плит забезпечує ефективний механізм переробки вуглецю, а також вирахували мінімальний вік планет, необхідний для того, щоб тиск вуглекислого газу в атмосфері повністю регулюватися тривалим циклом вуглецю. Для своєї роботи науковці розробили двокомпонентну модель, яка пов'язує конвекцію мантії та еволюцію довгострокового вуглецевого циклу. Тектоніка плит виступає ключовим зв’язком між цими двома компонентами.

Про що вони дізналися?

Охолодження мантії впливає на швидкість руху літосферних плит, що призводить до поступового зниження тиску атмосферного вуглекислого газу з часом внаслідок зменшення дегазації. За 10 мільярдів років цей тиск зменшується на порядок. Тривалий вуглецевий цикл, зумовлений тектонікою плит, може бути ефективним на планетах з більшим радіогенним нагріванням мантії, ніж на Землі. Однак планети, на яких мантії більше збагачені радіоактивними ізотопами, можуть мати більш теплий клімат, адже їхня атмосфера буде містити більше вуглекислого газу. Зокрема, так стається, якщо у мантіях більше ізотопів торію та урану. Тривалий цикл вуглецю, регульований тектонікою плит, буде неефективним для планет з масовими частками ядра 0,8 або більше. Якщо загальна маса планети буде більшою, ніж маса Землі, або ж її частка ядра буде меншою за земну, тектоніка плит сприятиме вищому тиску атмосферного вуглекислого газу. Крім того, тектоніка плит може почати регулювати атмосферний тиск вуглекислого газу порівняно швидко, приблизно через 100 чи 200 мільйонів років. Це означає, що за умови руху літосферних плит атмосфера екзопланети не обов’язково повинна бути старою, щоб зазнати істотних змін.