Жизнь на Земле может просуществовать на поверхности ещё на миллиард лет дольше

Солнце находится на середине своего жизненного цикла термоядерного синтеза. Ему около 5 миллиардов лет, и хотя его жизнь далека от завершения, с возрастом оно претерпит заметные изменения. В течение следующего миллиарда лет Солнце продолжит становиться ярче.

Это означает изменения на Земле.

По мере того как Солнце превращает водород в гелий, соотношение водорода к гелию в его ядре меняется. Со временем ядро медленно обогащается гелием. По мере накопления гелия плотность ядра увеличивается, что означает более тесную упаковку протонов.

Это создаёт условия для более эффективного синтеза водорода. В результате цепочки процессов Солнце становится ярче. Его светимость уже увеличилась примерно на 30% с момента образования, и этот процесс продолжится.

Любое увеличение светимости Солнца может сильно повлиять на Землю. Экологические циклы, такие как углеродный, азотный и фосфорный, поддерживают биосферу Земли. Усиление солнечного излучения повлияет на эти циклы, включая карбонатно-силикатный цикл, который регулирует накопление углекислого газа (CO₂) в атмосфере планеты.

Учёные полагали, что в течение следующего миллиарда лет усиливающееся Солнце нарушит этот цикл, что приведёт к снижению уровня CO₂. Растения зависят от CO₂, и ожидалось, что его уровень резко упадёт, что положит конец сложной наземной жизни через миллиард лет.

Однако новое исследование предполагает, что этого может не произойти.

Новое исследование озаглавлено "Существенное продление срока жизни наземной биосферы" и принято к публикации в Planetary Science Journal. Сейчас оно доступно в виде препринта на сервере arXiv. Ведущий автор — Р.Дж. Грэм, постдокторант кафедры геофизических наук Чикагского университета.

"Примерно через 1 миллиард лет в будущем, по мере того как Солнце будет становиться ярче, ожидается, что карбонатно-силикатный цикл Земли снизит уровень CO₂ ниже минимального уровня, необходимого для сосудистых наземных растений, что устранит большую часть макроскопической наземной жизни", — пишут авторы.

По мере усиления солнечного излучения и потепления поверхности Земли учёные ожидали, что карбонатно-силикатный цикл будет выводить больше CO₂ из атмосферы из-за выветривания силикатов и захоронения карбонатов.

Дождевая вода обогащена атмосферным углеродом, который реагирует с силикатными породами и разрушает их. Продукты этих химических реакций попадают на дно океана, где образуют карбонатные минералы. При их захоронении углерод эффективно удаляется из атмосферы.

В норме этот цикл действует как естественный термостат Земли. Однако более высокие температуры делают реакции более эффективными, а значит, цикл будет удалять больше CO₂ из атмосферы. Именно это привело учёных к выводу о гибели растительной жизни из-за нехватки CO₂. Однако авторы проанализировали эти идеи и обнаружили, что всё может быть иначе.

"Здесь мы объединяем глобальные модели продуктивности растений C3 и C4, зависящей от температуры и CO₂, выветривания силикатов и климата, чтобы пересмотреть оставшееся время для наземных растений", — пишут они.

Растения C3 и C4 — это две основные группы растений, классифицируемые по тому, как они осуществляют фотосинтез и поглощают углерод. Они важны, потому что по-разному реагируют на повышение температуры.

Исследователи утверждают, что недавние данные показывают, что карбонатно-силикатный цикл не так сильно зависит от температуры, как считалось ранее. Вместо этого он лишь слабо зависит от температуры и в большей степени — от уровня CO₂.

В таком случае "мы обнаруживаем, что взаимодействие между климатом, продуктивностью и выветриванием приводит к замедлению и временному обращению будущего снижения CO₂, вызванного светимостью, предотвращая углеродное голодание растений", — объясняют они.

Вместо прогноза в 1 миллиард лет для земной растительной жизни исследователи утверждают, что уровень атмосферного CO₂ означает, что у растений впереди ещё 1,6–1,86 миллиарда лет. Когда растения больше не смогут выживать, это будет связано не с падением уровня CO₂. Вместо голодания по CO₂ причиной станет так называемый переход к влажному парниковому эффекту.

Когда этот переход происходит, атмосфера планеты насыщается водяным паром по мере её нагревания. Поскольку водяной пар является мощным парниковым газом, это создаёт петлю обратной связи усиливающегося потепления. В конце концов, становится просто слишком жарко для выживания растений.

Последствия на этом не заканчиваются. По мере насыщения верхних слоёв атмосферы Земли водяным паром УФ-энергия расщепляет воду, и водород уходит в космос. В этой ситуации происходит постепенная и необратимая потеря воды в космос.

По мнению авторов, Земля не испытает этот переход примерно через 1,6–1,86 миллиарда лет.

"Мы показываем, что недавние данные, указывающие на слабую температурную зависимость выветривания силикатов, приводят к прогнозу, что смерть биосферы является результатом перегрева, а не голодания по CO₂", — пишут авторы. "Эти результаты позволяют предположить, что будущая продолжительность жизни сложной биосферы Земли может быть почти в два раза больше, чем считалось ранее".

Эти результаты также влияют на наше понимание обитаемости экзопланет. Это связано с так называемыми "трудными шагами" в появлении и эволюции жизни. Модель трудных шагов утверждает, что определённые эволюционные переходы были трудными и маловероятными для повторения. Некоторые примеры — появление многоклеточных организмов и кембрийский взрыв.

Но если биосфера Земли имеет гораздо более долгий срок жизни, чем считалось, это влияет на модель трудных шагов.

"Более долгая будущая продолжительность жизни сложной биосферы также может служить слабым статистическим доказательством того, что в эволюции разумной жизни было меньше 'трудных шагов', чем предполагалось ранее, и что происхождение жизни не было одним из этих трудных шагов", — заключают авторы.

Если это так, то обитаемость экзопланет может быть менее редкой, чем считалось.