Между снежным комом и паровой баней: новая модель раскрывает множественность климатов экзопланет

Ученые из Женевского и Бернского университетов при участии специалистов из Гренобля создали новую быструю климатическую модель Gen-EBM для экзопланет и выяснили, как вращение планеты, вытянутость ее орбиты и тепловая инерция поверхности определяют, какие климатические состояния могут там существовать, от снежного кома до раскаленной паровой атмосферы. Статья принята к  публикации в журнале Astronomy & Astrophysics.

Когда астрономы находят каменистую планету у другой звезды, один из главных вопросов, который возникает, может ли там быть жидкая вода. Но ответ зависит не только от того, сколько света получает планета. Не меньшее значение имеют климатические обратные связи: лед отражает свет и охлаждает планету, а водяной пар удерживает тепло и может разогреть ее до состояния, в котором океаны испаряются полностью. Из-за этих противоположных механизмов одна и та же планета при одном и том же облучении способна находиться в нескольких совершенно разных устойчивых состояниях. Именно эту множественность климатов и изучает новая модель.

Gen-EBM — это одномерная широтная модель энергетического баланса, написанная на языке Rust. Планета в ней представлена как полоса, вытянутая от полюса до полюса, а главная переменная — температура поверхности на каждой широте. Тепло переносится от экватора к полюсам за счет диффузии, то есть постепенного перемешивания вдоль градиента температуры. Чем быстрее вращается планета, тем сильнее силы Кориолиса мешают такому переносу, и тем больше разница между экватором и полюсами.

Главное новшество модели это расширенное описание того, как планета излучает тепло в космос. Раньше подобные модели хорошо работали только для умеренных климатов. Авторы добавили в единую формулу три режима: обычный землеподобный, начало парникового эффекта и состояние после него, когда атмосфера превращается в плотный горячий пар, а температура поверхности достигает сотен и даже тысячи градусов. Благодаря этому модель охватывает диапазон примерно от 200 до 1056 кельвинов — от ледяного мира до раскаленной паровой оболочки. Альбедо планеты тоже зависит от температуры: при похолодании оно скачком растет, потому что поверхность покрывается льдом, а при потеплении падает.

Сначала авторы построили так называемую прогностическую диаграмму: они просто искали точки, где приходящее от звезды тепло уравновешивает уходящее излучение. Уже на этом этапе стало видно, что при одном и том же облучении может существовать до пяти равновесных состояний, из которых устойчивыми оказываются не все. Затем они провели сотни полных численных экспериментов, запуская модель из разных начальных температур и следя, куда она придет.

Для планеты, похожей на Землю и обращающейся вокруг солнцеподобной звезды, подтвердились три устойчивых состояния: снежный ком, умеренный климат и состояние после парникового эффекта. Умеренный климат возможен в узком диапазоне орбитальных расстояний — примерно от 0,93 до 1,00 астрономической единицы.

Внутренняя граница этого диапазона соответствует примерно 390 ваттам на квадратный метр, что очень близко к оценкам, полученным ранее на тяжелых трехмерных моделях общей циркуляции. А вот область, где разные климаты сосуществуют одновременно, оказалась гораздо шире: от 0,78 до 1,07 астрономической единицы. Иными словами, планета может быть либо «планетой-снежком», либо горячей «паровой баней» при одном и том же освещении, и оба состояния будут устойчивыми.

Отдельная серия экспериментов была посвящена скорости вращения. Авторы рассмотрели периоды обращения 72, 24 и 8 часов. Медленно вращающаяся планета успевает эффективно перемешивать тепло между широтами, и ее климат становится почти однородным. В этом случае зона умеренных климатов оказывается самой широкой. Быстрое вращение, наоборот, запирает тепло вблизи экватора: полюса остаются холодными, экватор перегревается, и умеренная зона сжимается. Интересно, что у быстро вращающихся планет средняя температура может быть ниже нуля, но узкая полоса тепла у экватора все равно остается пригодной для жидкой воды. Получается, что средняя температура по планете не самый надежный показатель обитаемости.

Авторы также изучили планеты с вытянутыми орбитами, сравнивая их так, чтобы среднее количество получаемого света оставалось одинаковым. Оказалось, что решающую роль играет тепловая инерция поверхности, то есть способность океана и льда сглаживать сезонные колебания.

Планета, покрытая в основном сушей, быстро откликается на изменения освещенности: вблизи перицентра она может пересечь порог парникового эффекта и потерять умеренный климат уже при вытянутости орбиты около 0,20. Планета с океанами, наоборот, буферизует сезонные крайности и сохраняет умеренный климат вплоть до вытянутости около 0,25. Любопытно, что для глобального теплового отклика планета с семьюдесятью процентами океана практически не отличается от полностью океанической, разница проявляется в основном во времени выхода на равновесие.

Работа подтверждает главную мысль: климатические состояния планеты определяются не только звездой, но и обратными связями, заложенными в модель. Ледово-альбедная связь отвечает за снежный ком, парниковая — за горячие состояния, а планетарное излучение тепла стабилизирует климат. Если добавить или убрать какую-то связь, изменится и сама картина возможных климатов. Авторы честно перечисляют ограничения: одномерная диффузия не описывает реальную атмосферную циркуляцию, а используемое описание излучения построено для планет с богатыми запасами воды. Для миров с малым количеством воды или с иным составом атмосферы картины могут быть другими.

В итоге новая быстрая модель показала, что климатические состояния каменистых планет гораздо разнообразнее, чем считалось: умеренный климат занимает узкую полосу, зато снежный ком и раскаленное паровое состояние сосуществуют в широком диапазоне условий. Скорость вращения сжимает или расширяет зону умеренных климатов, а тепловая инерция поверхности определяет, насколько вытянутая орбита еще совместима с жизнепригодными условиями. Благодаря своей скорости и гибкости Gen-EBM становится удобным мостом между простыми моделями и тяжелыми трехмерными моделями климата, позволяя быстро изучать огромные пространства параметров и находить самые интересные режимы для детального изучения.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях