Как жизнь может помочь атмосферным приливам замедлить вращение планеты

Резонансные колебания атмосферы планеты, вызванные гравитационными приливами и нагревом от её звезды, могут предотвратить постоянное замедление вращения планеты со временем. К такому выводу пришёл Калеб Шарф, директор астробиологии Колумбийского университета. Его результаты показывают, что эффект усиливается для планеты с атмосферой, насыщенной кислородом благодаря жизни, и возникающие «атмосферные приливы» могут даже служить биосигнатурой.

Приливы могут искажать массу планеты, что, в свою очередь, влияет на её вращение. Наиболее знакомы нам гравитационные приливы, которые на Земле мы ощущаем от гравитации Луны и Солнца. Эти гравитационные приливы создают выпуклости при вращении Земли, а Луна и Солнце тянут эти выпуклости, замедляя вращение.

В отличие от них, атмосферные приливы (иногда называемые тепловыми или солнечными) возникают, когда солнечный свет нагревает поверхность и воздух на дневной стороне Земли. Это нагревание смещает массу атмосферы от самой горячей точки к более холодным точкам планеты. Как и гравитационные приливы, атмосферные приливы вызывают выпуклости, уязвимые для гравитационного воздействия. Эти выпуклости слегка меняют форму земной атмосферы, растягивая её из сферы в нечто менее симметричное и более эллиптическое. Шарф предлагает представить «ручку» на Земле: силы, тянущие за эту атмосферную ручку, могут затем помочь ускорить или замедлить вращение планеты.

Резонансные частоты

Обычно эффекты, создаваемые этими тепловыми приливными силами, относительно малы, но они могут усиливаться при определённых обстоятельствах, например, при резонансе. Это естественные вибрационные частоты, описывающие колебательное движение мостов на ветру или раскачивание на качелях. Перераспределение атмосферы усиливается, когда скорость вращения планеты совпадает с собственной частотой колебаний атмосферы.

Шарф использует другую метафору для объяснения резонанса: «Это как игра на скрипке, — говорит он Astrobiology Magazine. — Атмосфера — это струна скрипки, обёрнутая вокруг планеты. Если вы проведёте смычком с правильной скоростью по струне, вы получите нужную ноту и самый громкий звук».

Учёные полагают, что резонанс происходил на Земле, когда её сутки длились около 21 часа. Такая продолжительность дня создавала пик атмосферного движения, а значит, она ощущала бы самые сильные приливные воздействия от Солнца и Луны, создавая особенно большую «ручку» и максимальный крутящий момент. При таком резонансе влияние звезды на атмосферу планеты максимально, как и эффекты на вращение планеты. Явление, называемое «резонансным захватом», может происходить, когда противоположные силы, действующие на атмосферную ручку и обычные гравитационные приливы планеты, достигают равновесия, фиксируя скорость вращения планеты.

Выход из захвата

Согласно Шарфу, исследования предполагают, что Земля могла находиться в состоянии резонансного захвата при 21-часовых сутках «сотни миллионов лет», возможно, в докембрийскую эру более 500 миллионов лет назад. Эффекты резонансного захвата трудно измерить сами по себе, но в целом Шарф отмечает, что планеты с более быстрым вращением имеют более горячие экваторы и более холодные полюса. Резонансный захват мог повлиять на климат Земли, но более важна его роль в эволюции климата.

Резонанс может быть нарушен (и в случае Земли, по необходимости, был нарушен) колебаниями температуры, такими как быстрое потепление после сильного похолодания. Это перезапустило бы увеличение продолжительности дня на протяжении миллионов лет, поскольку вращение планеты снова начинает замедляться.

Например, возможно, что 3–4 миллиарда лет назад земные сутки длились 12 часов и со временем увеличились до 24 часов. В далёком будущем земной день может стать длиннее 24 часов.

Распространённое явление

Поскольку большинство планет испытывают гравитационные приливы, которые могут влиять на их вращение, Шарф полагает, что другие каменистые планеты в конечном итоге также испытают резонансный захват, что приведёт к фиксации длины дня на длительные периоды времени.

Рори Барнс, профессор Виртуальной планетарной лаборатории NASA при Вашингтонском университете, согласен, что этот процесс может быть широко распространён.

«Хотя Шарф воспроизвёл прошлые результаты для Земли, его модель этого сложного явления проста и элегантна, — говорит он. — Однако трудно сказать окончательно, каковы могут быть эффекты для любой конкретной планеты, учитывая осложняющее влияние климатов, атмосферных условий, размера и т.д. Но попытка Шарфа первого порядка распутать эти факторы даёт идеи для дальнейшего уточнения».

Одним из особенно интересных следствий работы Шарфа является возможность того, что биологическая активность также может влиять на вращение планеты. Молекулы, такие как озон, делают атмосферу теплее, что усиливает тепловые приливы и смещает резонанс в сторону более короткой длины дня. Если жизнь на планете производит кислород, планета будет накапливать озон, который способствует более раннему резонансному захвату в истории планеты. Такие возможности «все зависят от последовательности событий», говорит Шарф. Если бы Земля находилась в середине резонанса, увеличение озона могло бы его нарушить; если бы Земля уже испытала резонанс, она могла бы снова войти в это состояние.

Положительная обратная связь для жизни?

Главный вопрос в том, являются ли изменения вращения, вызванные оксигенацией или озоном, благоприятными для жизни. Является ли это процессом положительной обратной связи, при котором жизнь влияет на свою планетарную среду таким образом, что помогает распространяться этой жизни? Шарф говорит, что пока рано говорить наверняка, но если биологическая активность может помочь зафиксировать резонансное состояние, присутствие жизни может генерировать петлю обратной связи.

Если бы учёные могли получить больше данных об эволюции вращения Земли за последние четыре миллиарда лет, они могли бы «сравнить их с нашими данными об атмосферной оксигенации и поискать корреляции, которые могли бы указывать на эффекты оксигенации на резонансный захват — что было бы довольно ошеломляюще, но вполне возможно», — говорит Шарф. Барнс согласен, называя это «провокационной идеей, заслуживающей дальнейшего изучения».

Ещё одна идея для будущего исследования — могут ли скорости вращения планет предоставить косвенные доказательства потенциальной обитаемости планеты.

«Обнаружение скоростей вращения планет невероятно сложно, — говорит Шарф, — но учитывая прогресс в науках об экзопланетах, возможно, есть способ это сделать».

Даже если бы учёные смогли понять, как измерить скорость вращения каменистых планет, Шарф сомневается, что они нашли бы «неопровержимое доказательство», причинно связывающее это с присутствием биологической жизни. Однако расчёты скорости вращения могут стать одним из многих инструментов, которые астробиологи используют для поиска планет, поддерживающих жизнь. Барнс хотел бы увидеть «эксперимент, который изолирует роль биологии в скорости вращения планеты и потенциальной обитаемости», но пока он будет добавлять наблюдения за скоростью вращения в свой внеземной контрольный список.