Хімія і Життя - Про далеких планетах

Ця публікація підготовлена за матеріалами однойменної книги автора, переклад якої випустить у світ Головна редакція фізико-математичної літератури видавництва «Наука». Під планетою, придатної для життя, автор розуміє таку планету, на якій могло б жити багато людей, не потребуючи в складній захисту від навколишнього середовища і доставці матеріалів та продуктів з інших планет. Переклад з англійської І. Щербиною-Самойлової

температура

Хоча люди, користуючись одягом та іншої ізоляцією, можуть переносити сильну спеку і лютий холод, все ж вони вважають за краще цілком певний діапазон температур для повсякденного життя. Досить поглянути на карти ізотерм і щільності населення, щоб переконатися в тому, що люди вважають за краще жити в областях, де середня річна температура лежить між 4 і 27о С. Звичайно, настільки вузький діапазон температур диктується не тільки бажанням людей жити зі зручностями, але також і тим важливим фактом, що в цьому температурному діапазоні найкраще себе почувають сільськогосподарські культури і домашні тварини.

Взагалі ж багато живих істот терпимо ставляться до дуже високих або низьких температур. Ось лише кілька прикладів. Деякі види синьо-зелених водоростей (особливо Oscyllatoria filiforms) живуть майже в окропі, при температурі води 85оС. А звичайні качки залишилися в живих після того, як їх 16 діб тримали на сорокаградусному морозі. Холоднокровні водяні змії (Nadrix sipedon) морозу, звичайно, не витримають, зате діапазон переносите ними температур дуже значний - від 0 до 43оС. Ще ширше цей діапазон у арктичної сосни, у якій фотосинтез йде і при -40 °, і при + 30 ° С.

На жаль, більшості харчових злаків в період вегетації потрібна температура від 10 до 30 ° С.

світло

Та частина видимого електромагнітного спектра, яку ми називаємо світлом, укладена між довжинами хвиль 380 і 760 ммк. Усередині цієї області лежить діапазон зору більшості тварин і, найважливіше, - діапазон фотосинтезу. Якщо освітленість занадто низька, фотосинтез не може йти з достатньою для користі справи швидкістю, а якщо занадто висока, то зростання рослини затримується через так званої соляризації. Ці нижній і верхній межі освітленості відповідно рівні 0,02 і 30 люмен / см2. (До речі, максимальна освітленість прямим і розсіяним сонячним світлом на поверхні Землі дорівнює 15 люменам на квадратний сантиметр.)

Людина досить добре бачить, щоб перейти з одного місця в інше навіть при такій низькій освітленості, як 10 ~ 9 люмен / см2. Світло заподіює нам біль, якщо рівень освітленості перевалює за 50 люмен / см2. Але це відноситься до освітленості поверхні, а не до випромінювання, що проникає в око. Витривалість людини, що дивиться прямо на точкове джерело світла, куди нижче - близько 0,05 люмен / см2.

Не можна забути і про періодичне зміну освітлення. Ріст рослин, особливо в помірних поясах Землі, залежить не тільки від середньорічного розподілу температур, а й від тривалості дня і ночі. Тому більшість придатних для життя планет повинно отримувати тепло і світло в основному від одного джерела, схожого на наше Сонце.

тяжіння

Медико-біологічні експерименти на великих центрифугах показали, що деякі люди можуть виносити без незворотних змін миттєве прискорення в 5g (п'ятикратне по відношенню до нормального на поверхні Землі прискорення сили тяжіння). Таке прискорення сидить людина, не одягнений в спеціальний костюм, витримує всього 2 хвилини без втрати зору через недостатнє притоку крові до очей. Прискорення в 4g можна витримати довше - цілих 8 хвилин.

Учасники таких експериментів сиділи нерухомо, не здійснювали будь-яких дій. Про м'язової втоми людей, про обмеження, що накладаються збільшенням гравітаційного поля дає уявлення невелика таблиця, з якої видно, що життя, вірніше, робота при 2g буде дуже важкою.

У Каліфорнійському університеті в центрифугах досить довгий час вирощували курчат, які втрачали у вазі, якщо жили при прискоренні в 2,5g. У курчат швидше билося серце, а частота дихання падала. Звичайно, експерименти на центрифугах з їх кутовими швидкостями неточно відтворюють лінійне гравітаційне поле масивних планет, але все ж на підставі наявних відомостей можна зробити висновок, що деякі люди стали б жити на планеті, де тяжіння було б більше 1,25-1,50g.

Про нижньому гравітаційному межі для людини говорити рано, тому що по суті немає даних *, з яких випливало б, який мінімальний рівень тяжіння необхідний нашому організму для нормального фізіологічного функціонування. (* Експедиції в космос показали, що людина, але крайній мірі декілька місяців, може жити в невагомості. - Прим. Ред.)

склад атмосфери

Ясно, що планета повинна мати атмосферою, придатної для дихання. Найсуттєвішими частинами атмосфери повинні бути кисень і невелика кількість водяної пари. Причому парціальний тиск кисню повинно лежати між двома крайніми значеннями: нижня межа, за яким настає гіпоксія, і верхня межа, вище якого виникає кисневе отруєння.

Десь біля нижньої межі парціального тиску кисню живуть мешканці гірничого селища Ауканкілча в чилійських Андах, який розташований на висоті 5300 м. Мабуть, це найбільша висота, на якій люди живуть осіло. Тут парціальний тиск вдихуваного кисню всього близько 72 мм ртутного стовпа: проте шахтарі ведуть досить діяльну життя. Щоб потрапити в шахту, вони щодня піднімаються ще на 450 м, тобто до висоти, на якій парціальний тиск вдихуваного кисню становить всього 68 мм рт. см. Але навіть і ці умови, ймовірно, ще далекі від нижньої межі. Адже альпіністи стверджують, що можна довго жити і непогано себе почувати на висоті 7000 м.

Ну а яку ж максимальну концентрацію кисню ми можемо винести? Верхня межа парціального тиску вдихуваного кисню лежить біля 400 мм рт. ст., що еквівалентно 56% кисню в повітрі на рівні моря. У лікувальних установах прийнятий кисневий стелю набагато нижче - 40%.

Отже, парціальний тиск вдихуваного кисню на придатної для життя планеті має бути більше 60 мм рт. ст., але менше 400 мм рт. ст.

Отже, кисень повинні розбавити гази, у кожного з яких є свої верхня межа парціального тиску, межа, яку не можна перевищувати. Інакше гелій, азот, аргон, криптон і ксенон можуть викликати стан наркозу. Цим навіть користувалися при хірургічних операціях: суміш з 80% ксенону і 20% кисню породжувала несвідомий стан на 2-5 хвилин. Ще сильніше наркотичну дію вуглекислого газу. Отже, тиск аргону не повинно бути більше 1220 мм рт. ст., криптону - 350, ксенону-160, а вуглекислоти - 7 мм рт. ст. Припускають, що неон, а можливо, і водень також можуть виявитися наркотиками.

Особливе місце займає водень: мова може йти тільки про негорючих сумішах водню і кисню, але навряд чи можливе одночасне існування великої кількості вільного водню і кисню в атмосфері планети.

Тривалі експерименти за участю людей, які б жили в атмосферах, що не містять інертних газів, до сих пір не проводилися, так що не можна категорично стверджувати, що інертні гази не потрібні. Еволюція людини йшла в атмосфері, що містить всього 20% кисню, і можливо, що в певні періоди життя якась частка інертних газів необхідна для правильного функціонування дихальної системи.

Оскільки вуглекислий газ необхідний рослинам, потрібно встановити якийсь нижню межу його парціального тиску на придатної для нас планеті. Нормальна концентрація вуглекислого газу в земній атмосфері всього 0,03%, що еквівалентно парціальному тиску 0,21 мм рт. ст. Мінімальна величина для підтримки нормального життя рослині поки невідома, але, мабуть, вона близька до 0.05 0,10 мм рт. ст. Необхідний і азот, адже він входить в тіло рослин і тварин. Мінімальна його кількість, ймовірно, невелика, але воно невідомо.

Інші гази в атмосфері планети, придатної для життя (наприклад, NH3, H2S, SO2, СО), повинні бути присутніми в дуже малих кількостях, в мільйонних частках об'єму атмосфери. Інакше атмосфера буде отруйною.

Атмосферний тиск

Мінімальний атмосферний тиск на придатної для життя планеті розрахувати досить просто: тиск атмосфери з чистого кисню повинно бути близько 0,15 кг / см2. Максимальна ж барометричний тиск, переноситься людьми, поки ще не визначено. Наприклад, атмосфера з 2% кисню і 98% гелію при загальному тиску 10,5 кг / см2, теоретично прийнятна, але реальне перебування людей в таких умовах ніким не досліджувалося. Ймовірно, тиск атмосфери перевищує межі людської витривалості тоді, коли в повітрі, що проходить через носоглотку, виникає сильний турбулентний потік і робота органів дихання стає стомлюючої. Стверджують, що під тиском 8 атмосфер турбулентність настільки сильна, що при вдиху через рот відчуваються вихрові течії повітря.

Узагальнюючи сказане, можна зробити такі висновки: атмосфера планети, придатної для життя, повинна містити кисень, парціальний тиск якого на вдиху лежить між 60 і 400 мм рт. ст., і вуглекислий газ, парціальний тиск якого може варіювати між 0,05 і 7 мм рт. ст. Крім того, парціальний тиск будь-якого інертного газу не повинно перевищувати певної межі, а отруйні гази можуть бути присутніми лише у вигляді слідів. Крім усього іншого, потрібен газоподібний азот, щоб він у вигляді сполук міг знайти шлях до рослин.

Вода.

Людина з усією його екологією дуже сильно залежить від води, тому можна категорично стверджувати, що придатна для життя планета повинна володіти великими відкритими водоймами. Адже без океанів НЕ буде рясних опадів і, отже, не вистачить грунтових вод для поповнення запасів плинної прісної води. Звичайно, точно оцінити найкраще ставлення площі океану до загальної поверхні планети досить важко. Якщо води мало, якщо вона присутня лише у вигляді пари або як вода, адсорбована на поверхні або затримана в тріщинах між твердими частинками порід, то для людей така планета мало придатна. З іншого боку, планету, всю вкриту водою, планету-океан чи варто розглядати як придатну для життя людини.

Дуже суттєва для людей і вологість атмосфери. Неприємні наслідки високої вологості та спеки навряд чи варто описувати. Нічого доброго не обіцяють і протилежні фізіологічні ефекти. Сухе повітря швидко зневоднює слизові оболонки носа, рота і горла; тривале перебування при дуже низькому тиску водяної пари може взагалі виявитися смертельним.

Ось і виходить, що на придатної для життя планеті обов'язкові відкриті водойми, але їх площа не повинна перевищувати 90% поверхні планети.

Інші вимоги.

Визначення «планета, придатна для життя людини», означає планету, яка не зайнята іншими мислячими істотами. Ми вважаємо, що з більш низькими формами життя людина зможе ужитися, а без фотосинтезу - основи біологічного кругообігу речовин - навіть не зможе обійтися.

Швидкості вітрів в придатних для життя місцях планети повинні бути помірними. Не можна ж нормально жити там, де весь час вирує буря (швидкість вітру 23 м / сек). В кубометрі повітря повинне літати не більше 1,8-109 частинок пилу, а якщо в ній багато кремнекислоти (понад 50%), то пилових частинок має бути в десять разів менше. Інакше повітря заподіє людям шкоду.

Водойми - головні збирачі носиться в повітрі пилу. Освіта водяних крапельок на ядерцях пилу - головний спосіб очищення атмосфери. Звідси випливає, що на планеті з великими океанами атмосфера не особливо запилені, а на планеті, на поверхні якої переважає суша, буде дійсно дуже пильно. Радіоактивність або іонізуючарадіація теж можуть зробити планету нежитловий. З генетичних міркувань бажана невелика доза природного фонового опромінення - менше одного рентгена в рік або приблизно 0,02 бер (біологічний еквівалент рентгена) в тиждень. (Середня інтенсивність природної фонової радіації на поверхні Землі близько 0,003 бер в тиждень.) Планета може бути непридатна для житла і через занадто частих падінь метеоритів, занадто сильної вулканічної діяльності, занадто частих землетрусів або надмірної електричної активності.

Основні ознаки планети, придатної для життя

Якими ж параметрами повинна володіти планета, на якій могло б жити багато людей, без надмірної захисту від навколишнього середовища і незалежно від доставки матеріалів з інших планет?

Маса обов'язково більше 0,4 маси Землі, щоб могла утворитися і зберегтися придатна для дихання атмосфера, але менше 2,35 мас Землі, щоб прискорення сили тяжіння на поверхні було менше l, 5g.

Вік планети (і зірки, навколо якої вона рухається по орбіті) повинен перевищувати 3 млрд. Років, щоб вистачило часу для появи складних форм життя і створення придатної для дихання атмосфери.

Період обертання не повинен перевищувати 96 годин (4 земних діб); це гарантує від надмірно високих температур вдень і вкрай низьких температур вночі.

Нахил осі обертання (нахил екватора до площини орбіти) і освітленість планети взаємопов'язані, від цього залежить розподіл температури на її поверхні. Величина освітленості при малих нахилах повинна лежати між 0,65 і 1,35 від освітленості на Землі, хоча поєднання великої освітленості (в 1,9 рази більше, ніж на Землі) і великого нахилу екватора (аж до 81 °) сумісно з вимогами життя .

Ексцентриситет орбіти повинен бути менше 0,2, інакше створиться неприйнятне розподіл температур на поверхні планети.

Маса головного тіла (зірки, навколо якої обертається планета), з одного боку, не повинна перевищувати 1.43 маси Сонця, а з іншого боку, повинна бути більше 0,72 маси Сонця, так як тільки в цьому випадку можливі допустимі рівні освітленості і приливної уповільнення обертання планети. Для особливих планет з вкрай великими або близькими супутниками можна зменшити нижню межу допустимої маси головного тіла до 0,35 маси Сонця.

Якщо планета рухається по орбіті в подвійній зоряній системі, то дві зірки повинні знаходитися або зовсім поруч, або дуже далеко один від одного. Тільки в цих випадках можливі стійкі планетні орбіти і невелика мінливість в освітленості.

Якщо всі ці умови виконані, то вельми велика вірогідність того, що планета придатна для життя людей.

Розрахунки говорять, що біля 0,47% всіх зірок є придатні для життя планети, а серед зірок класів F2-KI у 3,7% звертаються планети, придатні для життя людини. Згідно з нашою оцінкою, одна придатна для життя планета доводиться на кожні 2480 куб. парсеків, якщо вважати, що властивості зірок в близьких до нас областях Галактики характерні для Галактики в цілому. Оскільки обсяг нашої Галактики около1,6 х 1012 куб. парсеків, то число придатних для життя планет близько до 600 мільйонам. І це тільки в нашій Галактиці!

На відстані в 100 світлових років від Землі (відстань невелика, якщо врахувати, що товщина Галактики в центрі перевищує 10 000 світлових років, а діаметр 80 000 світлових років) має бути приблизно 50 придатних для життя планет. Середнє ж відстань між зіркою з придатною для життя планетою і її найближчій аналогічної сусідкою - близько 24 світлових років.

Найближчі кандидати

З 100 найближчих зірок (плюс одинадцять їх невидимих компаньйонів), що знаходяться від Сонця в межах 22 світлових років, формально 43 зірки могли б мати придатними для життя людини планетами. Однак, крім 14 зірок, інші так малі, що у них планета, придатна для життя, могла б бути тільки в тому дуже рідкісному випадку, якщо у цієї планети обертаються великі і близькі супутники, які допомагають їй зберегти швидкість обертання. Інші 68 зірок не підходять з наступних причин: у трьох з них (Сіріуса, Проциона і Альтаїра) занадто велика маса, і тому життя їх занадто швидкоплинна; сім - білі карлики, і навколо них життя бути не може; 57 зірок дуже малі, вони або загальмували обертання планет, або породжують припливи руйнівної сили на тих планетах, обертання яких підтримується за рахунок близького супутника; одна зірка (40 Ерідана А), хоча і прийнятна з інших точок зору, не підходить тому, що вона член подвійної системи в парі з білим карликом.

Чотирнадцять найбільш перспективних кандидатів наведені в таблиці усе своєю чергою збільшення їх відстані від Землі. Імовірність же того, що принаймні одна придатна для життя планета є біля цих чотирнадцяти зірок, становить 43%.

У близькому до нас зоряній системі - Альфа Центавра - ймовірності для компонентів А і В рівні 0,054 і 0,057 відповідно; для системи ця ймовірність зростає до 0.107, а це говорить про те, що є одні з десяти шансів, що в системі Альфа Центавра можна знайти планету, придатну для життя.

Закінчення в наступному номері