Официальный сайт журнала "Экология и Жизнь"

Всё об экологии ищите здесь:

   
Сервисы:
Каналы:
Каналы:
Блоги:
Дайджесты,
Доклады:

ЭКО-ВИДЕО



Реклама


Translate this page
into English

Translate.Ru PROMT©


Система Orphus


Главная О НАС / ABOUT US Статьи Климат Земли и жизнь / Гипотеза Геи vs силикатное выветривание или счастливый случай?

Климат Земли и жизнь / Гипотеза Геи vs силикатное выветривание или счастливый случай?

Эволюция разумной жизни на планете требует не только того, чтобы Планетарные условия были благоприятны для жизни в самом начале ее развития, но и того, чтобы планета оставалась пригодной для жизни впоследствии, без перерыва. Это происходит потому, что должно быть достаточно времени, чтобы позволить жизни возрастать в сложности от простых клеток к более сложным одиночным клеткам, к многоклеточной жизни и, в конечном счете, к разумной жизни. На Земле это развитие заняло примерно 3 или 4 на1,2,3, в течение которых жидкая вода, по-видимому, присутствовала где-то  на поверхности земли4, подразумевая температуры между своими замерзать и точками кипения.

Условия оставались пригодными для жизни, и на первый взгляд это не может показаться удивительным. Однако накопленные наблюдения и выводы показывают, что такая длительная продолжительность обитаемости на самом деле является загадочным явлением, требующим объяснения. Принципы, управляющие внутренней динамикой и временной эволюцией звезд, были разработаны в 1950-х годах 5,6—применительно к Солнцу они показали, что солнечное нагревание современной Земли примерно на 30% интенсивнее, чем у ранней Земли5. Саган И Маллен7 он понял, что если бы все остальное оставалось неизменным, то ранняя Земля была бы полностью заморожена под более тусклым ранним солнцем. Или, наоборот, учитывая, что ранняя Земля не была заморожена, если бы остальная часть климатической системы оставалась неизменной, то океаны сейчас кипели бы под сегодняшним более ярким солнцем. Очевидно, ни то, ни другое не произошло по причинам, которые до сих пор обсуждаются8,9,10,11,12; хотя существуют правдоподобные решения, в частности при объединении нескольких процессов13, до сих пор нет твердого консенсуса относительно того, как в действительности был преодолен «парадокс слабого молодого Солнца» 14.

Зонды, отправленные на землю к соседям земли в 1970-х годах, предоставили больше доказательств того, что тепловая обитаемость Земли требует объяснения. Венера, с ее сильной теплицей и ближе к Солнцу, оказалась слишком горячей (средняя температура поверхности >460 °C>15), а Марс, с его тонкой атмосферой и дальше от Солнца, слишком холодным (средняя < -50 °C16). Более того, последующие наблюдения указывают на то, что Марс когда—то был достаточно теплым, чтобы иметь жидкую воду на своей поверхности17,18; если это верно, то история Марса показывает, что планета может потерять обитаемость-что однажды полученная она не гарантированно сохранится.

То, что обитаемость может быть ненадежной, было также подчеркнуто в 1990-х годах теоретическими расчетами19, показывающими значительный потенциал земли для изменчивости климата. Было указано, что устойчивый дисбаланс в 25% между темпами поступления и выпуска углерода приведет к замерзанию океанов в течение нескольких миллионов лет (если потеря атмосферного CO2 превышает прирост) или выкипает в течение нескольких десятков миллионов лет (если прирост превышает убыток). Причиной такой прогнозируемой восприимчивости к быстрому ухудшению климата является короткое время пребывания по отношению к геологическим потокам углерода в поверхностной земной системе (океан, атмосфера, почвы и биота)—около 100 ки19.

После осознания того, что ни Марс, ни Венера в настоящее время не имеют температуры, благоприятствующей жизни, и что Парниковая атмосфера углекислого газа Земли потенциально нестабильна, были выдвинуты два основных класса решений, чтобы попытаться ответить на «проблему обитаемости»20 для Земли. Первый класс включает в себя стабилизирующие механизмы. Утверждалось19,21 что продолжительность непрерывной обитаемости (от 3 до 4 лет) настолько сильно превышает потенциальное время до климатического сбоя (от~0.001 до 0.01 лет), что дестабилизирующие тенденции должны были активно противодействовать сильные отрицательные обратные связи повсюду. Земля должна обладать встроенным термостатом и обладала им с самого начала своей истории. В противном случае климат следовал бы за случайным блужданием с, как они утверждали, невероятно малой вероятностью оставаться в пределах обитаемых границ.

Одно из предложений из этого класса, гипотеза Геи22, предполагало, что как только жизнь установится на планете, она вмешается в регулирование климата, чтобы сохранить условия стабильными и пригодными для жизни. Однако гипотеза Геи не имеет четкой механистической основы и не согласуется с самыми последними научными данными. Другое предложение в этом классе предполагает что выветривание силикатов способствует термостату удаляя углекислый газ быстрее в более теплом климате12,24,25,26,27,28,29,30 Однако контроль за скоростью выветривания континентальных силикатов остается несколько неопределенным, поскольку полевые исследования предполагают сильное влияние скорости поступления вновь обнаженных (легко выветриваемых) пород31,32, а также климата28. Косвенное свидетельство также заставляет усомниться в том, что силикатное выветривание эффективно противостояло климатическим изменениям в течение истории Земли33,34; например, его скорость, по-видимому, не уменьшалась по мере постепенного охлаждения климата в кайнозое33,35 а восстановление климата после интенсивного потепления Палеоценового эоценового термического максимума было приписано захоронению органического углерода, а не Силикатному выветриванию36,37. Поскольку возникли вопросы о том, обеспечивает ли силикатное выветривание на континентах термостат земли, появились новые предположения о том, что силикатное выветривание в других местах является ключевым: либо на островах27, либо на морском дне12,29.

Был также предложен второй, совершенно иной класс решений, основанный на принципе отбора наблюдателей (слабый антропный принцип)38. Логически мы можем наблюдать только те факты, которые согласуются с нашим собственным существованием. Это было распространено на сценарий, в котором длительная продолжительность обитаемости планет происходит лишь крайне редко среди большого населения планет, но иногда случается случайно. Согласно выбору наблюдателя, в этом сценарии мы обязательно окажемся на одной из счастливых планет39,40 какими бы редкими они ни были. Эта точка зрения предполагает наличие большого числа потенциально пригодных для жизни планет, если существует хоть какая-то вероятность того, что хотя бы одна планета выживет только благодаря удаче. Однако недостатка в планетах нет. Только в нашей галактике, по оценкам, существуют миллиарды маленьких скалистых планет, вращающихся в пределах обитаемых зон своих родительских звезд[41,42].

В настоящее время наиболее широко распространено мнение, что «Земля была пригодной для жизни планетой в течение [миллиардов] лет из-за существования стабилизирующих обратных связей в глобальных циклах углерода и кремния.»12. Хотя есть несколько исключений23,39,40, возможная роль случайности, как правило, даже не упоминается12,30,43,44,45. Здесь я описываю новую модель обитаемости и сообщаю о ее результатах. Полученные результаты убедительно свидетельствуют о том, что случайность также сыграла свою роль.

Результаты

Подход

Используемая здесь Модель (см. методы для получения подробной информации) является концептуальным (простейшим) представлением планетарного регулирования климата. Она включает в себя основные принципы, необходимые для моделирования обратных связей климата и тенденций обитаемости и целенаправленно исключает любые другие детали, считающиеся несущественными, даже те, которые могут быть точно включены. В отличие от предыдущих модельных исследований обитаемости Земли, он позволяет оценивать эффекты отбора наблюдателей, принимая многопланетную перспективу. По этой причине эта модель никоим образом не является моделью Земли в частности, а скорее является моделью потенциально обитаемых планет в целом. Из-за сложности непосредственного наблюдения за экзопланетами существует нехватка данных и, следовательно, высокая степень неопределенности в отношении того, как моделировать некоторые аспекты. Однако анализ чувствительности, описанный в дополнительной информации, показывает, что выбранные точные значения параметров и допущения не влияют на основные результаты, представленные здесь.

Модель подробно описана в методиках, но здесь дается краткий обзор. Модель имеет только одну государственную переменную, планетарную температуру поверхности (T). Другие условия окружающей среды не моделируются, и поэтому обитаемость в этой статье относится только к термической обитаемости. В самом начале каждой планете выделяется свой собственный отдельный набор положительных и отрицательных обратных связей с использованием случайных чисел. Эти обратные связи имеют случайные знаки и величины и сделаны для того чтобы поменять как функция температуры в случайном путе.

В дополнение к использованию случайных чисел для создания разнообразной коллекции планет, каждая из которых имеет различные обратные связи, случайные числа также используются для определения проблем с обитаемостью. Планеты созданы для того, чтобы испытывать случайное число возмущений температуры, происходящих в случайные моменты времени и со случайными знаками и величинами. Кроме того, каждая планета испытывает случайно определенное долгосрочное воздействие климата, чтобы представить драйверы, которые меняются со временем, такие как светимость родительской звезды.

Пример планета бежит

Теперь показано, как эти процедуры моделирования работают на практике. Для иллюстрации используемых процедур были выбраны четыре примера. Левая сторона рис. На рис. 1 показаны четыре примера планет, автоматически генерируемых этой схемой. Правая сторона рис. На рис. 1 показан индивидуальный пробег для каждой из этих планет, начиная со случайной начальной температуры и сталкиваясь со случайным набором возмущений.

Рис. 1: исходные климатические обратные связи (левая сторона) и температурные истории (правая сторона) одиночных запусков нескольких случайно сгенерированных планет.

Каждая строка рисунка-это отдельная планета. На левой участки (панели а, С, Е и г): черные круги узлов и толстые черные линии ф (т) (см. методы для объяснения); светло-серый подсветка указывает регион стремительное потепление или беглых охлаждения; красных кружков показать исходное положение аттракторов; Красная пунктирные линии разграничения, связанные бассейнов притяжения. На правых участках (панели b, d, f и h): синяя линия показывает эволюцию температуры планеты; черная штриховка показывает пределы обитаемости; красные круги показывают положение аттракторов; зеленые квадраты-случайно определенные начальные температуры для каждого запуска; красные треугольники указывают на наибольшие возмущения, причем размер треугольника пропорционален величине возмущения. a и b-это, например, планета 1, планета c и d 2, Планета e и f 3 и планета g и h 4. Обратите внимание на разную шкалу на оси времени каждой правой панели.

На рис. 1А показана планета, которая оказалась в единственном бассейне притяжения (зона отрицательной обратной связи), на более теплой стороне обитаемого диапазона. Аттрактор (величина, к которой стремится система) возникает там, где горизонтальная ось (dT/dt = 0) пересекается с отрицательным наклоном, или, другими словами, где планета охлаждается при температурах немного выше значения аттрактора и нагревается при температурах немного ниже его. Аттрактор-это устойчивая точка равновесия. Точки пересечения нуля с положительным наклоном-это, наоборот, неустойчивые точки равновесия, возникающие на краях бассейнов притяжения. Эта первая планета имеет область безудержного охлаждения, внутри которой температура неумолимо понижается, пока не становится слишком холодной для обитаемости. В прогоне, показанном на рис. 1b так случилось, что Планета стартовала в этой беглой зоне обратной связи и, следовательно, сразу же стала непригодной для жизни.

Вторая планета (рис. ) оказалась с пятью аттракторами и небольшой зоной безудержного потепления. На этот раз случайная начальная температура находилась в пределах среднего (третьего) бассейна притяжения. Планета снова быстро провалилась (рис. 1d), на этот раз потому, что, по совпадению, все три более холодные точки аттрактора расположены очень близко к нижним границам их соответствующих бассейнов притяжения. В результате случайные возмущения вскоре выбили систему из первого бассейна притяжения в левый, и это повторялось до тех пор, пока она не покинула обитаемый диапазон.

Третья планета (рис. ) имеет два бассейна притяжения и стартовала в более теплом. Обитаемые условия поддерживались на протяжении более 500 м (рис.), с перепадами между двумя бассейнами притяжения, прежде чем возмущение выбило температуру выше верхнего предела. Сильное долгосрочное форсирование ( ϕ = -45,2 (°C ky-1) By-1) в любом случае предотвратило бы сохранение равных температур в течение 3 By.

Некоторые планеты могут оставаться пригодными для жизни в течение полных 3 лет. Планета на рис. 1g имеет только один бассейн притяжения, охватывающий почти весь обитаемый диапазон. Долгосрочное форсирование ( ϕ = -24,6 (°C ky-1) на-1) заставляло аттрактор медленно удаляться все дальше от верхнего предела. Несмотря на большое возмущение около 200 млн лет, планета оставалась пригодной для жизни в течение полных 3 лет (рис. ).

Эти примеры иллюстрируют, как «проблема обитаемости», стабилизирующие механизмы и случайность включены в этот подход. Далее я представляю результаты, полученные с помощью этого подхода, и рассматриваю их последствия.

Ни чистая случайность, ни чистый механизм: результаты для искусственных планет

В качестве первого шага некоторые конкретные планеты были прогнаны по 1000 раз, чтобы проверить две гипотезы, основанные на классах решений: (а) что планетарная обитаемость-это вопрос только удачи, причем свойства планеты не оказывают никакого влияния на вероятность обитаемости (впредь называемая гипотезой 1 или просто H1); и (Б) что планетарные характеристики, такие как обладание или отсутствие стабилизирующих обратных связей, либо гарантируют, либо исключают обитаемость с самого начала, без влияния случайных событий, таких как столкновения с астероидами (гипотеза 2 или просто H2). Для этих тестов каждый повторный запуск имел разную (случайную) начальную температуру и возмущения каждый раз, не было никаких длительных воздействий ( ϕ = 0), а возмущения находились на нижнем уровне тяжести.

Планета с неблагоприятными обратными связями (вторая на рис. 1) каждый раз становился непригодным для жизни, что согласуется с Н2. Целенаправленно созданная планета без обратных связей (dT/dt = 0 для всех T) также имела 0 успехов из 1000, что согласуется с H2 и утверждением19, что только чистая случайность (в форме случайного блуждания, вызванного случайными возмущениями) приводит к чрезвычайно малой вероятности сохранения обитаемости в течение такого огромного периода. Оптимальная планета (dT/dt = +300 °C ky-1 для T < Tmid, -300 °C ky-1 для T > > Tmid) оставалась пригодной для жизни во всех 1000 случаях, опять же в соответствии с H2.

Результаты для популяций случайно сгенерированных планет

Теперь сообщается о результатах гораздо более масштабного моделирования. При этом были оценены тенденции обитаемости 100 000 планет. Планеты были созданы путем распределения случайных, а не целенаправленно разработанных климатических обратных связей, используя процедуру, описанную в разделе методы. Каждая из 100 000 различных планет была прогнана 100 раз с различными факторами случайности (различными случайными наборами возмущений и начальными температурами) для каждого из 100 повторений. Полученные результаты показывают вероятностные зависимости между уровнем успешности и внутренними планетарными характеристиками, которые согласуются с ожидаемым поведением (дополнительный рис. 1).

Результаты были проанализированы, чтобы дать более глубокое понимание роли судьбы и случая. На рис. 2а показаны результаты для подмножества из 200 планет: 15 из них оставались пригодными для жизни на 1 или более запусках, а остальные 185 не имели успеха. Самая успешная планета оставалась пригодной для жизни на 60 из 100 повторений. Ни одна планета не была успешной на всех своих 100 повторениях. Аналогичные результаты были получены в более крупном масштабе для всего моделирования (синяя линия, рис. 2bИз населения в 100 000 человек ~9% планет (8 710) были успешными по крайней мере один раз, но только 1 планета была успешной во всех 100 случаях. Показатели успеха отдельных планет не ограничивались 0% или 100%, а охватывали весь спектр. Некоторые планеты были успешны только 1 раз из 100, другие-2 раза, и так далее. В симуляции наблюдаются все степени успеха планеты (рис. ). Это можно увидеть, как выяснили в предыдущем исследовании46 то, что стабилизация климата может иногда возникать из—за случайности-часть планет, порожденных процедурой случайной сборки, имела некоторую склонность к климатическому регулированию.

Рис. 2: различия между результатами моделирования и ожидаемыми паттернами из H1 и H2.

а показатели успешности набора из 200 планет, ранжированных по порядку успешности; б показатели успешности всех планет, которые были успешны хотя бы один раз, ранжированные по порядку, от населения 100 000 планет (неудачные планеты не показаны); с гистограмма продолжительности обитаемости. Показатели успеха в a и b были рассчитаны путем запуска каждой планеты 100 раз и подсчета количества раз, когда она оставалась пригодной для жизни в течение 3. Продолжительность жизни в c это время до тех пор, пока температура не покинет Обитаемый диапазон. Синие линии и полосы показывают результаты моделирования; красные линии и полосы показывают ожидаемые результаты, если свойства планеты диктуют результаты абсолютно (отсутствие влияния случайности, т. е. H2); черные линии и полосы показывают ожидаемые результаты, если результаты вызваны только случайностью (отсутствие влияния обратных связей планеты, т. е. H1). Зеленая пунктирная линия в b показывает спектр показателей успешности только тех планет, которые были успешны в первом из своих 100 запусков. H1 и H2 сделаны так, чтобы иметь ту же пропорцию (0,0145) успешных запусков, что и симуляция.

Также показано на рис. 2 ожидаемые распределения для гипотетической ситуации, при которых точно так же общее количество успехи в 10 миллионов работает, но успехи были распределены полностью по случайности (Н1: черные линии и серый оттенок), либо только среди всегда-успешным планет (Н2: красная линия и заливка). Частотное распределение длительностей пробега при моделировании полностью отличается как от H1, так и от H2 (рис. ). Кроме того, a выполняет тест47 проведенное моделирование по результатам, представленным планетой за планетой (первые 100 — для планеты 1, вторые 100 — для планеты 2 и т. д.), окончательно отвергает случайный порядок (p 0,001), снова исключая H1.

С точки зрения вопроса, рассмотренного в настоящей статье, ответ из результатов моделирования однозначен: в моделировании распределение успехов планеты очень отличается от ожидаемого от H1 или H2 и является промежуточным между ними; в моделировании как механизм, так и случай играют роль в определении того, длится ли для каждого прогона каждой планеты обитаемость до тех пор, пока 3 By. Однако при рассмотрении вопроса о том, определяется ли персистенция пригодности таким же образом в реальности, безусловно, необходимо учитывать ограничения этой модели. Упрощения и неопределенности в конструкции модели означают, что в некоторых отношениях она должна быть нереалистичной. Поэтому при экстраполяции результатов моделирования на реальность требуется проявлять осторожность. Однако следует также отметить, что обширные анализы чувствительности (всего 37 анализов, охватывающих широкий спектр биологических, геофизических, геохимических, биогеохимических и астрономических неопределенностей—см. таблицу 1, Дополнительные методы и дополнительные таблицы 1 и 2) найти результат, предложенный здесь, чтобы быть удивительно устойчивым к неопределенностям модели (результаты моделирования между H1 и H2 для всех 37 проверенных вариантов модели). Другими словами, в то время как общие показатели успешности (например) сильно различаются между вариантами моделей, общий характер контроля за длительностью обитаемости не является таковым. По этой причине полный набор результатов моделирования, включая анализ чувствительности, дает уверенность в общем выводе. Взятые в целом, результаты модели убедительно свидетельствуют о том, что возникновение долговременной обитаемости в реальной Вселенной также является функцией как механизма, так и случая. Однако независимо разработанные модели следует также применять к этой проблеме, чтобы увидеть, будут ли получены аналогичные результаты.

Таблица 1 проверенные допущения.

Повторный запуск ленты

Это было необходимым условием для появления Homo sapiens эта земля оставалась пригодной для жизни в течение геологического времени, и только что описанные результаты дают некоторое представление о том, как это могло произойти. Был проведен дополнительный анализ для дальнейшего изучения возможности того, что длительный и непрерывный период обитаемости Земли не был неизбежен с самого начала. Набор из 1000 планет был запущен дважды, причем возмущения и начальные температуры различались между этими двумя запусками. Стивен Джей Гулд представил идею перемотки ленты истории Земли, чтобы посмотреть, даст ли биологическая эволюция те же результаты при повторном запуске. здесь та же идея была исследована для эволюции климата. Как показано на рис. 3, 15 из 1000 планет оставались пригодными для жизни в первом запуске и 10-во втором. 6 планет оставались обитаемыми оба раза. Другими словами, 6 из 15 человек, добившихся успеха в первом запуске, также оказались в числе 10, добившихся успеха во втором. Более детальный анализ более широкого набора результатов показал, что совпадение составляет 39%; другими словами, если планета остается пригодной для жизни на первом этапе, то в среднем существует 39% — ная вероятность того, что она останется пригодной для жизни на втором этапе, и 61% — ная вероятность того, что она этого не сделает. Общие показатели успеха более чем 1400 из 100 000 планет, которые оставались пригодными для жизни в течение 3 лет после их первого запуска, показаны на рис. 2b (зеленая линия). Это наиболее подходящее сравнение с Землей, которая оставалась пригодной для жизни на своем единственном «пробеге», но для которой общая вероятность успеха неизвестна. Это распределение отличается от распределения планет, которые были успешны при любом запуске (синяя линия, рис. ), но опять же видно, что он управляется смесью судьбы и случая.

Рис. 3: повторные прогоны набора планет не дают одинаковых результатов.

1000 различных планет были сгенерированы случайным образом. а результаты, когда каждая планета была запущена один раз: те планеты, которые остались пригодными для жизни, показаны как зеленые круги, а те, которые этого не сделали, — как черные круги; б результаты, когда те же самые 1000 планет были запущены во второй раз (те же самые планеты, но разные начальные температуры и возмущения по сравнению с первым запуском). В этом конкретном примере 15 планет оставались пригодными для жизни в первом случае, 10-во втором, причем 6 оставались пригодными для жизни в обоих случаях (дополнительный анализ показывает, что в среднем существует 39% перекрытия, или, другими словами, есть 39% шанс того, что планета будет пригодна для жизни в повторном наборе, если она была пригодна для жизни в исходном наборе).

Обсуждение

Очевидный вывод из этих результатов состоит в том, что успех Земли не был неизбежным результатом, а скорее был случайным—он мог пойти в любом случае. Если бы климатическая система Земли была подвержена, например, различным значениям вулканических сверхвыпадов или различным временным интервалам столкновения астероидов, то результат мог бы быть иным. Роль случайности в конечном результате, возможно, также подтверждается геологической летописью земли, которая включает свидетельства экстремальных климатических возмущений, которые, возможно, были очень близки к уничтожению всей жизни (например, эпизоды снежного кома земли в Палеопротерозое49 и Неопротерозое50).

Первоначальные перспективы того, что Земля останется пригодной для жизни, могли быть плохими. Если это так, то это говорит о том, что где-то  во Вселенной есть планеты, подобные Земле, которые имели сходные первоначальные перспективы, но которые из-за случайных событий в какой-то момент стали слишком горячими или слишком холодными и, следовательно, потеряли жизнь на них. По мере совершенствования методов исследования экзопланет и открытия и анализа того, что на первый взгляд кажется «двойными землями», представляется вероятным, что большинство из них окажутся непригодными для жизни.

Методы

Мотивация и основополагающие принципы

Общая цель состоит в том, чтобы исследовать, как долгосрочная планетарная обитаемость (необходимая для развития разумной жизни) может произойти во Вселенной. Чтобы решить эту проблему, полезно иметь модель, которая может работать в течение миллиардов лет и быть способной моделировать множество очень разных планет. Миллиардные прогоны сложных климатических моделей неосуществимы из-за чрезмерного времени выполнения. Здесь предпринимается попытка альтернативного подхода: наиболее простого из возможных представлений о климатических обратных связях и климатическом регулировании.

Первый принцип проектирования этой идеализированной модели-стремление к простоте. Там, где это возможно, следует избегать подробностей, сохраняя лишь те основные принципы, которые считаются необходимыми для достижения общей цели. Основное внимание уделяется исключительно наиболее важным аспектам (климатические обратные связи и возможность стабилизации). Второй принцип заключается в том, чтобы сделать модель общей, а не конкретной. Это определенно не модель Земли. Вместо этого это модель, предназначенная для того, чтобы быть одинаково способной представлять любую потенциально обитаемую планету, будь то внутри или за пределами Солнечной системы и будь то внутри или за пределами условно определенных обитаемых зон44,51 Третий принцип проектирования, вытекающий из второго, состоит в том, чтобы по возможности избегать допущений. Там, где есть какие-либо сомнения относительно его универсальной применимости, предположение обычно не делается. Использование здесь случайных чисел для генерации множественных и разнообразных экземпляров планет позволяет определять диапазоны, а не точные значения для каждого параметра, устраняя необходимость принимать точные значения. Там, где при разработке модели действительно приходилось делать допущения, анализ чувствительности (см. Дополнительные методы) использовался для изучения последствий альтернативных допущений (о чем ниже сигнализирует (SA)).

Модель имеет только одну переменную состояния, планетарную температуру поверхности (T), и состоит из одного единственного обыкновенного дифференциального уравнения:

где t — время, dT/dt — скорость изменения температуры со временем (положительные значения соответствуют планетарному потеплению, а отрицательные-охлаждению), а  ϕ это долгосрочное климатическое воздействие, суммирующее факторы, которые меняются со временем, такие как светимость родительской звезды. Время (Т) — это время, прошедшее с момента возникновения жизни (то есть с момента появления жизни где-либо  на Земле; это не время, например, с момента образования Земли или с момента появления жизни на земле). Общая сумма откликов обратной связи представлена формулой f (T) и изменяется в зависимости от температуры T. Другими словами, при любой планетарной температуре T, f (T) это суммарная скорость потепления или охлаждения, возникающая в результате всех процессов, действующих в сочетании. В отличие от стандартных климатических моделей, отдельные климатические обратные связи (такие как обратные связи ледяного альбедо) или процессы (такие как перехват исходящего инфракрасного излучения парниковыми газами) не представляются отдельно. Преимущество такого скупого подхода состоит в том, что делается очень мало допущений, максимизируя разнообразие различных типов систем, которые могут быть представлены. Недостатком является потеря реализма, если из-за чрезмерного упрощения теряется важный аспект поведения системы, а упущение влияет на полученные результаты.

Обратные связи устанавливаются следующим образом. Во-первых, генератор случайных чисел используется для определения количества климатических узлов для планеты (~Ui (2,20), где Ui-равномерное распределение). Эти После этого распределены равномерно через Обитаемый диапазон температур (- 10 к +60 °C). Затем случайные числа снова используются для задания значения f (T) для каждого узла, причем положительные и отрицательные значения являются одинаково вероятными (~N (0,100) °C ky-1, где N-гауссово распределение). значения f (T) между узлами линейно интерполируются (SA). Каждая планета также выделяется случайным долгосрочным форсированием (), который может быть как положительным, так и отрицательным с равной вероятностью (~N (0,50) (°C ky-1) на-1).

Способность планет оставаться обитаемыми проверяется путем расчета их температурных эволюций при воздействии случайных возмущений и длительного воздействия. Каждый прогон запускается при случайной начальной температуре и моделируется с нулевого момента времени (зарождение жизни) до 3 по (эволюция интеллекта) или до тех пор, пока температура не покинет Обитаемый диапазон. Случайные температурные возмущения возникают в случайные моменты времени (красные треугольники на фиг. 1), представляющий собой изменения климата события, такие как извержения супервулканов и столкновения астероидов. Существует три размерных класса возмущений (~N (2,1), ~N (8,4) и ~N (32,16) °C), причем более крупные классы размеров встречаются реже. Случайность определяется здесь как состоящая из возмущений и начальных температур; они изменяются для каждого повторного запуска одной и той же планеты, тогда как присущие характеристики (обратные связи и форсирование) не являются.

Модель выполняется быстро. Запуски занимают несколько минут в течение 3 миллиардов лет, что позволяет исследовать склонности к обитаемости тысяч различных планет.

Обитаемый диапазон температур

Модель имеет только одну переменную состояния-планетарную температуру поверхности (T, в °C, преобразованную в Кельвин, где это необходимо; ни вертикальные градиенты температуры атмосферы, ни температура верхней части атмосферы не представлены; поверхностные условия окружающей среды, отличные от температуры, также не представлены (SA)). Здесь предполагается, что жизнь на других планетах требует жидкой воды, как и на Земле. Нижний предел обитаемости устанавливается на -10 °C (SA), несколько ниже точки замерзания соленой воды. Более сложная (эукариотическая) жизнь на Земле в основном не может выжить выше 50 °C, и в этот момент ДНК и другие белки начинают денатурироваться, если их не защищать. В то время как простые микробы могут расти при температурах до 122 °C (ссылка 52), кажется маловероятным, что более сложная (разумная) жизнь могла бы выжить при таких температурах23. Зависящая от давления температура кипения воды также устанавливает более высокий предел, но здесь предполагается, что наиболее критическим фактором является стабильность фермента, и поэтому верхний предел устанавливается на +60 °C (SAВполне вероятно, что климат должен оставаться в более узких границах на более поздних стадиях эволюции интеллекта, хотя это и не было включено в стандартное моделирование (SA). Географическая изменчивость подразумевает, что для повсеместного вымирания могут потребоваться более экстремальные средние глобальные температуры поверхности (SA). Микробная жизнь может потенциально пережить периоды негостеприимной поверхностью условий внутри убежища, например, в недрах скал или глубоко в покрытый льдом океан в гидротермальных источниках, формирующихся позже фекуционирующий поверхности; данные из Неопротерозойских «Земля-снежок» событий предполагает, однако, что эукариотические фотосинтезирующие водоросли сохраняются до события и, таким образом, что поверхность обитаемости сохранялся в некоторых местах53. Другие условия окружающей среды могут влиять на обитаемость, но здесь рассматриваются только температура (и, следовательно, доступность воды).

Случайно настроенные обратные связи

Предполагается, что климатическим системам планет в целом не свойственна склонность ни к отрицательным (стабилизирующим), ни к положительным (дестабилизирующим) обратным связям (СА). Другими словами, здесь предполагается, что системы обратной связи планет являются конечным результатом ряда процессов, которые в совокупности не содержат какой-либо общей врожденной предрасположенности ни к обитаемости, ни против нее. Планеты случайным образом настроены таким образом, что некоторые в конечном итоге более склонны к климатической стабильности, а другие нет, но без каких-либо встроенных смещений в любом случае (SAЭто предположение может оказаться неверным. Например, все планеты подчиняются закону Стефана-Больцмана, согласно которому общая тепловая энергия, излучаемая наружу (излучение черного тела), увеличивается пропорционально четвертой степени его температуры в Кельвине20. В отсутствие систематического влияния температуры на другие потоки энергии это привело бы к общему смещению в сторону температурной стабильности. Но другие факторы могут также изменяться систематическим образом с температурой. Например, все планеты с водными океанами также подвержены потенциально дестабилизирующему воздействию льда-альбедо54 и температуры-водяного пара55,56 положительных обратных связей с потенциалом привести к беглому леднику или теплице.

Когда в процессе моделирования генерируется новая планета, она получает случайный набор обратных связей с помощью следующей процедуры. Во-первых, каждой планете выделяется определенное число узлов (NN), где NN с равной вероятностью может быть установлено на любое число от 2 до  NNmax, максимальное количество узлов (20 в модели по умолчанию (SA)):

где Ui (2,NNmax) обозначает целое число от 2 до NNmax, выбирается случайным образом из равномерного распределения (т. е. равной вероятности любого числа).

После установки количества узлов затем вычисляются свойства каждого узла. Первый узел расположен на самой низкой (самой холодной) температуре (Tmin) и последний узел на самой высокой (самой горячей) температуре (Tmax) в обитаемом диапазоне. Сила обратной связи за пределами обитаемого диапазона не учитывается, поскольку планета считается «провалившейся», как только она покинула Обитаемый диапазон (SA). Затем задаются температуры (Ti) остальных узлов (если Nn > 2) таким образом, чтобы равномерно распределить их (>SA) по всему обитаемому диапазону температур:

Наконец, каждому узлу также дается случайная сила обратной связи (fi). Термин «сила обратной связи» используется здесь для обозначения скорости, с которой планета имеет тенденцию охлаждаться или нагреваться при определенной температуре в результате обратных связей. Каждое значение fi определяется случайным выбором числа из гауссовского (нормального) статистического распределения среднего значения 0 и стандартного отклонения σf (в единицах градусов C на тысячу лет):

σf задается значением 100 °C ky-1 (SA). В результате 99,7% обратных связей рассчитываются с использованием эквалайзера. (4) имеют абсолютную величину меньше или равную 300 °C ky-1 (3σf).

Трудно быть уверенным в наиболее реалистичном значении σf. Некоторые расчетные потенциальные скорости нагрева и охлаждения показаны для Земли в дополнительной таблице 3Для сравнения. Однако, поскольку земля оставалась обитаемой в течение 3 или 4 лет, отбор наблюдателей означает, что они не могут считаться репрезентативными планетами в целом. На других планетах можно ожидать различных скоростей изменения температуры, если, например, они имеют разное количество океана (разные тепловые мощности).

Сила обратной связи при промежуточных температурах вычисляется путем линейной интерполяции (SA) между значениями в узлах. Некоторые примеры результатов этой процедуры для случайного определения климатических обратных связей приведены в левой части рис. 1 из газеты. Эта процедура порождает гетерогенную смесь планет. Это согласуется с выводами, полученными из наблюдений Кеплера и других миссий, о значительном разнообразии экзопланет. Это также согласуется с теоретическими исследованиями экзопланет, которые начали исследовать возможные климатические последствия такого разнообразия экзопланет, например, для планет с гораздо более глубокими океанами57 или приливно-отливными узлами вокруг своих родительских звезд58 или с различными скоростями вращения59 Разнообразие планет, таким образом, подтверждается исследованиями экзопланет; универсальность подобных Земле обратных связей-нет.

Постепенные изменения с течением времени

Различные климатические факторы могут изменяться в течение геологического времени. Наиболее примечательно, что планета, находящаяся на неизменной орбите вокруг одной звезды, не получает от нее неизменного теплового потока, поскольку светимость звезд меняется с течением времени. Звезды наиболее стабильны, находясь на главной последовательности, но даже находясь на главной последовательности, их скорость выхода излучения увеличивается с возрастом (отсюда и слабый парадокс молодого Солнца для Земли). Солнце, звезда G-типа, увеличило свою мощность более быстрыми темпами (увеличение на 30% за последние 3 года)14 чем большинство других потенциально жизнеобеспечивающих звезд. Скорость тепловыделения более многочисленных M-карликовых звезд увеличивается медленнее в течение их более длинных (>10 By) периодов жизни на главной последовательности.

Есть и другие факторы, которые также могут постепенно изменяться в течение жизни планеты60. Некоторые из них будут усиливать или противодействовать эффектам звездного сияния; они могут даже перевешивать его, приводя к чистому изменению в противоположном направлении, стремясь сделать планету все более прохладной с течением времени. Факторы, способствующие долгосрочному охлаждению, включают: (1) постепенное увеличение Континентальной площади с течением времени61, производя увеличение альбедо (Земля имеет более высокое альбедо, чем вода); (2) снижение геотермальное отопление за счет распада радиоактивных элементов внутри планеты интерьера, с запасом радиоактивных элементов сокращается во времени (это незначительный коэффициент на радиационный баланс Земли – дополнительная таблица 3 – но это, наверное, иметь большее значение, для других планетах и лунах); (3) постепенное утечки в космос низкомолекулярных газов, включая водород, облегчая насыщение атмосферы кислородом и удаления метана и других парниковых газов,62 Другим потенциальным источником долгосрочных изменений является сама жизнь на планете. По мере того как жизнь усложняется с течением времени в процессе эволюции, интенсивность, с которой она вытягивает ресурсы (включая парниковые газы, такие какCO2) из окружающей среды, также может возрастать63.

Из вышесказанного представляется вероятным, что некоторые планеты испытывают дрейф в сторону более отрицательных значений dT/dt с течением времени, даже когда тепло, полученное от их принимающей звезды, увеличивается. По этой причине в модель (SA) не кодируется ни одно смещение в любом случае. Вместо этого общая сумма форсирования для каждой планеты (ϕ) устанавливается случайным образом из гауссова распределения, с равными вероятностями того, что оно будет либо положительным, либо отрицательным:

где σϕ устанавливается в 50 (°C ky-1) на-1 (SA). 99,7% силовых воздействий в моделировании, следовательно, лежат между -150 и +150 (°C ky-1) на-1.

Для сравнения, за последние 3 миллиарда лет солнце увеличило свою скорость выработки энергии примерно на 30%, при этом усредненный по площади солнечный поток, получаемый Землей, увеличился примерно с 270 Вт м-2 до 340 Вт м-2 (см. Это соответствовало бы скорости изменения  (+70/3) Вт м-2 на-1 ≈ +70 (°C ky-1) на-1, если бы никакие другие потоки излучения также не изменились за тот же интервал64.

Мгновенные возмущения

Климат планет также подвержен случайным кратковременным внешним возмущениям различной величины и частоты. На Земле вулканические извержения и сверхизвержения (такие как Тоба) производят аэрозоли, которые блокируют солнечный свет и охлаждают планету. Тщательное сравнение климатических данных и записей вулканического пепла за последние 2500 лет подтвердило, что температура на поверхности земли понижается на срок до 10 лет после извержений65. Другие источники66,67 к относительно кратковременным возмущениям температуры планеты относятся удары комет или астероидов, орбитальная нестабильность, выбросы углекислого газа, связанные с выбросами большого количества базальта на поверхность земли, вспышки звезд и близлежащие сверхновые или другие космические взрывы. Возмущения также могут иметь биологическое происхождение68. Например, экстремальные оледенения на земле были вызваны появлением кислородного фотосинтеза и распространением первых лесов по всей Земле.. Некоторые возмущения (например, те из ближайших сверхновых или гамма-всплески) может быть настолько сильной, чтобы исключалась всякая возможность выживания, независимо отзывы планеты обладает, хотя возмущения достаточно энергии, чтобы мгновенно вскипятить все океаны Земли (повышение температуры в океане на 100 °C) предназначены для того, чтобы быть исчезающе редких67.

В моделировании используются три класса возмущений (PS, PM и PL: малые, средние и большие), причем величины определяются следующим образом:

где Ui (-1 или 1) делает каждое возмущение случайным образом положительным или отрицательным и N (μ,σ) это случайное число из нормального (гауссовского) распределения со средним значением µ и стандартным отклонением σ (оба в °C). Для сравнения, температурные эффекты различных катастрофических событий на Земле показаны в дополнительной таблице 4, опять же имея в виду, что Земля вряд ли будет типичной из-за смещения выбора наблюдателя.

Различные планеты подвержены различным вероятностям возмущений в зависимости от того, насколько они геологически активны и где они находятся. Планеты в плотно упакованных галактиках или регионах галактики имеют более высокий риск в течение 3 лет испытывать большие возмущения от соседних сверхновых и / или гамма-всплесков. По этой причине считается, что центры галактик, в которых звезды расположены более плотно, являются менее вероятными местами для эволюции разума69 Другие известные факторы включают природу родительской звезды (как часто и насколько сильно она вспыхивает), стабильность орбит других планет в планетной системе, а также количество и орбитальную стабильность астероидов и комет в системе.

Вполне вероятно, что, как видно для вулканических извержений65 и астероидов70, более мелкие климатические возмущения происходят чаще, а более крупные-реже. Чтобы отразить эту переменную подверженность возмущениям, случайные числа используются для выделения каждой планете различных ожидаемых чисел (λ) возмущений в каждом классе:

Фактические числа возмущений (NS, NM и NL) во время каждого 3-го повторения моделирования планеты, если оно завершается, затем вычисляются случайным образом следующим образом:

где P (λ) — случайное число из распределения Пуассона с ожидаемым (средним) значением λ. Возмущения делаются так, чтобы они возникали в случайные моменты времени (из равномерного распределения) через 3 By (SA). Некоторые примеры результатов применения этих уравнений приведены справа на рис. 1 часть бумаги (красные треугольники).

Требуемая продолжительность непрерывной обитаемости

Для эволюции разумной жизни требуется огромная продолжительность существования пригодных для жизни условий. Это само по себе не гарантирует, что сложная жизнь будет развиваться (например, жизнь может никогда не появиться в первую очередь), но эволюция сложной жизни, очевидно, невозможна без длительной обитаемости. Трудно сказать, всегда ли требуется 3 миллиарда лет обитаемости, или просто время, которое это произошло на Земле. Возможно, разумная жизнь могла бы развиваться быстрее на планете с более динамичной экологической историей без периодов застоя, таких как так называемый «скучный миллиард» на земле71. Было предложено установить минимальное требование всего лишь в 100 миллионов лет72. В качестве альтернативы, возможно, более длительные сроки являются более типичными73. В отсутствие детального понимания требуемого времени в этом исследовании (SA) оно было установлено равным 3 миллиардам лет.

Численное интегрирование

Численное интегрирование Eq. 1 проводилось в среде Matlab (ode23s stiff solver, adaptive timestep) с начальным временным шагом 10 лет, максимальным временным шагом 1 миллион лет, относительной погрешностью один к десяти тысячам (0,0001) и абсолютной погрешностью 0,05 °C. Описанные здесь большие ансамблевые прогоны были выполнены на параллельном вычислительном кластере с использованием MDCS (Matlab Distributed Computing Server).

Начальная температура (T0) устанавливалась равной различному случайному значению между Tmin и Tmax (равная вероятность любого значения) в начале каждого прогона:

Поскольку возмущения представляют собой резкие изменения, которые могут привести к ошибкам интегрирования, если их не обрабатывать должным образом, модель была запущена от одного возмущения к другому с повторным численным интегрированием после каждого возмущения. Моделирование продолжалось для каждой планеты до тех пор, пока она не становилась стерильной (SA) (ее температура выходила за пределы обитаемого диапазона, и в этот момент считалось, что она «провалилась») или до тех пор, пока не истекало 3 By, и в этот момент считалось, что она «преуспела» (интеллект эволюционировал).

Несколько запусков одной и той же планеты

Поскольку используются случайные числа, статистически устойчивая оценка тенденции планеты поддерживать пригодные для жизни условия требует многократного прогона; результат одного прогона вряд ли будет репрезентативным. Чтобы запустить планету несколько раз, необходимо провести разделение между факторами, которые присущи планете и, следовательно, фиксированы для этой планеты, и теми, которые изменяются для каждого отдельного запуска этой планеты. Это разделение определяет, какие факторы классифицируются как часть случайности или опасности, а какие-как часть присущего планете состава и, следовательно, механизма. В этих симуляторах отзывы (НН и Фя), принуждение (), и ожидается, что число шевелений (λ,С, λм, λЛ) были сохранены фиксированные для каждой планеты, а начальные температуры (Т0) и фактическая численность (ны, нм, н,л) и величины (п— ов, ПМ, ПЛ) возмущений были произвольно установить разные значения для каждого прогона планеты (СА). λS, λM, λL и  это свойства, которые частично зависят от местоположения планеты (отражая природу окружающей планетной системы и звезды, а также прилегающей части галактики). Таким образом, повторные показы проводились на одной и той же планете в одном и том же астрономическом местоположении, а не на одной и той же планете в разных астрономических местоположениях (SA).

источник

 

климатэволюцияжизнь 

05.03.2021, 950 просмотров.


Нравится

SKOLKOVO
13.11.2021 18:44:17

Инъекции от коронавируса зарегистрированы в России

В России зарегистрировали препарат от коронавируса «Арепливир» для инъекций. Это следует из данных государственного реестра лекарственных средств.

коронаврус, Россия, инъекции

10.11.2021 22:19:00

Таблетка против COVID молнупиравир впервые в мире одобрена для использования в Великобритании для противовирусных препаратов Merck | Euronews

Соединенное Королевство стало первой страной, одобрившей использование молнупиравира в таблетках против COVID.

COVID-19, ВАКЦИНА ЗДОРОВЬЕ

10.11.2021 22:09:37

Phizer создал лекарство от коронавируса /Ингибитор протеазы Covid19

PAXLOVID ™ (PF-07321332; ритонавир) снижает риск госпитализации или смерти на 89%

лекарство, Коронавирус, вирус

03.10.2021 18:53:27

Сок черноплодки останавливает распространение коронавируса

Респираторные вирусы первоначально заражают носоглотку и ротоглотку, где они усиливаются, вызывают симптомы и могут также передаваться новым хозяевам. Предотвращение первоначального заражения или снижение вирусной нагрузки при заражении может облегчить симптомы, предотвратить распространение в нижние дыхательные пути или передачу другому человеку.

Коронавирус, распространение, вирус

07.08.2021 00:18:43

COVID-19 снижает интеллект.

На днях журнал The Lancet опубликовал большое исследование об интеллекте переболевших коронавирусной инфекцией COVID-19. Выводы пессимистичны: даже после полного выздоровления когнитивные способности остаются сниженными. И чем тяжелее человек перенес заболевание, тем больше пострадал его интеллект. Это лечится или после болезни мы тупеем безвозвратно и навсегда?

COVID-19, интеллект, болезнь, инфекция

10.07.2021 23:51:50

Как тело борется с вирусами?

У иммунной системы есть особые стратегии защиты и атаки, специально предназначенные для вирусов. Они включают в себя пометку вирусов антителами и уничтожение инфицированных вирусом клеток.

тело, вирусы, клетки

09.07.2021 13:59:56

Глобальное потепление "конвертируется" в малярию

Изменение климата ускорило заражение людей малярией и лихорадкой денге, переносимыми комарами. Данные по распространению опасных болезней, которые иногда могут быть смертельными, проанализировали ученые Лондонской школы гигиены и тропической медицины (London School of Hygiene & Tropical Medicine (LSHTM)).

потепление, заражение, люди

RSS
Архив "#ПроЗдоровье"
Подписка на RSS
Реклама: