Ошибки в моделях древней атмосферы могут помешать найти жизнь на других планетах

Ученые из Кембриджского университета и Гарварда выяснили, что разные компьютерные модели, описывающие атмосферу Земли, дают сильно расходящиеся оценки толщины озонового слоя в прошлом, особенно при низком содержании кислорода. Эти расхождения могут искажать наши представления о том, когда и как на планете появились условия для жизни, а также мешать поиску жизни на других планетах. Исследование готовится к публикации в журнале Royal Society Open Science.

Четыре миллиарда лет назад наша планета выглядела совсем иначе. Небо было оранжевым от метана и углекислого газа, а свободного кислорода в воздухе почти не было. Сегодня кислород составляет пятую часть атмосферы, и именно ему мы обязаны озоновым слоем — невидимым щитом, который защищает все живое от жесткого ультрафиолета. Но когда именно этот щит стал достаточно плотным? И насколько надежны наши компьютерные реконструкции древней атмосферы? Ответы на эти вопросы важны не только для понимания истории Земли, но и для поиска жизни на далеких экзопланетах.

Ученые сравнили между собой пять разных атмосферных моделей: четыре одномерные (они рассматривают атмосферу как один вертикальный столб) и одну трехмерную (она учитывает ветры, перемешивание воздуха и суточные изменения). Все модели были настроены на одинаковые начальные условия, чтобы различия в результатах возникали не из-за разных исходных данных, а из-за внутренних особенностей самих программ.

Оказалось, что при современном уровне кислорода все модели дают более или менее согласованные оценки толщины озонового слоя. Но как только содержание кислорода падает до уровней, характерных для древней Земли, картина резко меняется. Одномерные модели начинают завышать количество озона по сравнению с трехмерными. При содержании кислорода в тысячу раз меньше современного разброс в оценках достигает восьмикратного уровня. Это означает, что если мы полагаемся только на одномерные модели, мы можем серьезно ошибиться в том, насколько хорошо древняя атмосфера защищала поверхность от ультрафиолета.

Причины таких расхождений кроются в нескольких вещах. Во-первых, по-разному рассчитывается скорость разложения молекул кислорода под действием света. Во-вторых, в одномерных моделях не учитывается перенос воздуха между тропиками и полюсами, а также между дневной и ночной сторонами планеты. В-третьих, содержание водяного пара в стратосфере, а он разрушает озон, в одномерных моделях задается упрощенно, без учета того, что тропический воздух поднимается вверх через холодную ловушку на границе тропосферы и стратосферы. Трехмерная модель естественным образом воспроизводит этот процесс, а одномерные вынуждены использовать усредненные профили, которые могут быть далеки от реальности.

Особенно сильно различия проявляются для экзопланет. Ученые смоделировали атмосферу Проксимы Центавра b — ближайшей к нам экзопланеты, которая может быть теоретически обитаемой. Оказалось, что разные модели предсказывают разную силу озоновых линий в спектре этой планеты. Для будущих телескопов, таких как обсерватория обитаемых миров HWO или космический интерферометр LIFE, которые будут искать признаки жизни в атмосферах далеких миров, это означает серьезную проблему. Если модели расходятся в прогнозах, то астрономы могут неправильно интерпретировать увиденное или вовсе пропустить сигнал жизни.

Исследование также показало, что одномерные модели могут давать слишком оптимистичную картину древней Земли. Если озоновый слой был тоньше, чем считалось, то поверхность планеты подвергалась более жесткому ультрафиолетовому облучению. Оно могло ограничивать распространение жизни на суше и заставлять ранние организмы прятаться в глубинах океана или вырабатывать защитные пигменты. Кроме того, более интенсивный ультрафиолет мог влиять на химические реакции в атмосфере и океане, оставляя следы в геологической летописи, которые мы теперь можем неправильно истолковать.

Авторы призывают к осторожности. Они не утверждают, что трехмерные модели всегда правы, у них тоже есть свои ограничения и погрешности. Но они показывают, что одномерные модели, которые десятилетиями использовались для изучения древней Земли и экзопланет, не могут служить надежным инструментом для оценки озонового слоя в условиях низкого содержания кислорода. Это не значит, что их нужно выбросить, ведь они быстры, гибки и позволяют учитывать сотни химических реакций. Но их результаты следует интерпретировать с поправкой на те процессы, которые они не могут воспроизвести.

В итоге исследование напоминает нам, что модели это не сама реальность, а лишь ее приближение. И чем дальше мы уходим от современных условий, тем больше погрешность такого приближения. Для поиска жизни на других планетах и для понимания того, как жизнь зародилась и выжила на нашей собственной, важно не только строить модели, но и постоянно проверять их на прочность, сравнивая между собой и с реальными данными. В противном случае мы рискуем искать жизнь там, где ее нет, или не замечать ее там, где она есть.

В результате исследования ученые показали, что одномерные фотохимические модели, широко используемые для реконструкции древней атмосферы Земли и моделирования экзопланет, систематически завышают толщину озонового слоя при низком содержании кислорода по сравнению с более реалистичной трехмерной моделью. Эти расхождения возникают из-за упрощенного учета переноса воздуха, водяного пара и фотолиза кислорода. Как следствие, оценки ультрафиолетового облучения поверхности древней Земли и предсказания спектров экзопланет могут быть искажены, что важно учитывать при поиске следов жизни.