Wie kritisch ist es für das Leben, dass ein Planet jederzeit innerhalb der bewohnbaren Zone bleibt?

Diese Frage wurde in den letzten zehn Jahren von einigen Studien untersucht. Diese Studien führten Klimamodelle für Planeten mit exzentrischen Umlaufbahnen durch. Mir sind drei wissenschaftliche Arbeiten zu diesem Thema bekannt (bei einer bin ich Mitautor): hier , hier und hier .

Die einfache Antwort lautet: Entscheidend ist in erster Linie der mittlere Fluss, den ein Planet im Laufe seiner Umlaufbahn erhält. Der orbitgemittelte Fluss$F$skaliert mit der orbitalen Exzentrizität$e$und große Halbachse a as$F\sim a^{-2} (1-e^2)^{-1/2}$. Sie brauchen eine große Exzentrizität, um einen großen Unterschied im Klima zu bewirken (z. B. beträgt die Erhöhung des orbitgemittelten Flusses bei einer Exzentrizität von 0,5 nur 15 %, was leicht durch eine geringfügige Erhöhung der großen Halbachse des Planeten kompensiert werden kann):

Für einen Planeten auf einer exzentrischen Umlaufbahn gibt es einen kurzen heißen Sommer und einen langen kalten Winter. Aber die meisten relevanten klimatischen Zeitskalen sind viel länger als die Umlaufzeit, sodass nur der umlaufgemittelte Fluss von Bedeutung ist. Dieses Diagramm zeigt den Orbit-gemittelten Fluss (blaue Kurve), das Aphel-zu-Perihlion-Verhältnis dmax/dmin (grüne Kurve) und das Verhältnis des empfangenen Flusses bei Peri- vs. Apo (rote Kurve).

FYI, ich habe einmal einen Blogbeitrag zu genau diesem Thema geschrieben: https://planetplanet.net/2014/10/06/real-life-sci-fi-worlds-1-the-eccentric-earth/ und davon gibt es jede Menge interessante Einzelheiten. Mein Favorit war, dass wir uns einen Planeten auf einer sehr ausgedehnten Umlaufbahn vorstellten (und Klimasimulationen davon durchführten), der auch um seine Drehachse geneigt war. Der Planet wurde schließlich zu einem globalen Eisball, außer an dem Punkt, der den stärksten Wärmeimpuls von der Sonne erhielt – in diesem Fall am Südpol, der etwa einen Monat pro Jahr auftaut. Hier ist eine Illustration (weiß = zugefroren, blau = knapp über dem Gefrierpunkt).

Zu Ihrer Information, es gibt eine weitere interessante Situation, in der sich die Orbitalexzentrizität eines Planeten aufgrund von Gravitationswechselwirkungen mit anderen Planeten im System mit der Zeit ändert. Bei Interesse siehe hier: https://planetplanet.net/2014/10/08/real-life-sci-fi-worlds-3-the-oscilating-earth/

In diesem Zusammenhang habe ich in einer Simulation der Entstehung von Gesteinsplaneten einmal ein Planetenpaar erzeugt, das sich über die bewohnbare Zone erstreckte, aber die Exzentrizität so austauschten, dass sie abwechselnd Exkursionen außerhalb der bewohnbaren Zone unternahmen. FYI, in diesem Bild liegt Zeit 2 etwa 20.000 Jahre nach Zeit 1 (Details zu dieser Simulation hier oder hier ).

Ich gebe (zumindest noch) keine vollständige Antwort, aber Sie müssen Folgendes berücksichtigen:

1. Atmosphäre

Die Rolle einer Atmosphäre ist sehr wichtig. Eine dichte Atmosphäre bewirkt eine langsamere Erwärmung und Abkühlung, sodass die Komfortzone für einen Venus-ähnlichen Planeten nicht dieselbe ist wie für einen Mars-ähnlichen Planeten. Noch mehr, wenn Sie einen Treibhauseffekt oder eine sehr hohe Albedo (oder beides) haben.

2. Ozeane

Ozeane sind auch wichtige „Wärmepools“, die den Planeten ein bisschen kühler oder ein bisschen heißer halten.

3. Interne Wärmequellen

Vulkane in der Nähe zu haben, hilft sicherlich in der kalten Zeit

4. Umlaufgeschwindigkeit

Die Orbitalbewegung ist viel, viel schneller, wenn sich der Körper in der Nähe des Sterns befindet. Wenn der Planet innerhalb der heißeren Grenze der Komfortzone die gleiche Strecke zurücklegen muss wie außerhalb der kühleren Grenze, wird der Transit am sengenden Ende sehr, sehr schnell sein, während der Transit durch die Gefrierzone sehr langsam sein wird. Sie können sich dem Stern also mehr annähern, als Sie zunächst dachten, da Sie nur für eine sehr kurze Zeit dort sind.

Es dreht sich alles um thermische Masse.

Letztendlich geht es bei dieser Frage darum, wie lange es dauert, bis das Leben außerhalb der „idealen“ Bedingungen, unter denen es gedeiht, stirbt. Wie in anderen Antworten beschrieben, gibt es eine Vielzahl von Bedingungen, die sich darauf auswirken. Letztendlich macht jedoch die thermische Masse den Unterschied.

Was ist thermische Masse?

Für die Zwecke dieser Antwort können wir es als jede Masse beschreiben, die die Fähigkeit hat, Wärme zu absorbieren und zu speichern, wenn sie kühler als die Umgebung ist, und sie über einen längeren Zeitraum auszusaugen, wenn die Masse wärmer als ihre Umgebung ist.

Auf der Erde haben wir die Ozeane und unsere Atmosphäre. Die Atmosphäre speichert viel Wärme (dank Treibhausgasen) und fängt sie nahe an der Oberfläche ein. Die Sache ist, dass die Atmosphäre keine besonders gute thermische Masse ist. Deshalb gibt es Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht.

Das heißt, Wasser macht einen viel besseren Job. Wenn Sie an einer Küste leben, wissen Sie, dass der Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht nicht so groß ist wie der Unterschied zwischen Tag und Nacht weiter im Landesinneren, insbesondere in Wüsten. Wieso den? Nun, das Wasser an der Küste speichert den ganzen Tag über viel Wärme, und die Atmosphäre profitiert davon in Form einer verzögerten Freisetzung.

SCUBA Divers wird Ihnen sagen, dass die Temperaturen im Mai (südliche Hemisphäre) noch recht warm sind, weil die Sommerhitze das Wasser noch nicht vollständig verlassen hat.

So; Wenn Sie eine große Menge Wasser auf Ihrem Planeten haben, werden Sie besser abschneiden, als wenn Sie dies nicht tun. Ein gewisses Maß an Treibhausgasen ist erforderlich, verursacht jedoch Probleme, wenn Sie der Sonne zu nahe kommen. Wie in anderen Antworten gesagt, ist es der zu nahe Teil, mit dem Sie die größten Probleme haben werden, insbesondere wenn Sie Treibhausgase in der Atmosphäre haben, um Wärme zu speichern. Der Ozean wird helfen, einen Teil dieser Wärme zu absorbieren, aber Sie werden während dieses Teils der Umlaufbahn trotzdem Schutz davor brauchen.

Sie möchten möglichst auch eine hohe O2-Atmosphäre. Warum? Weil Sie möchten, dass die extreme Sonne während der heißen Perioden große Mengen an Ozon (O3) produziert, um die kosmische Strahlung zu blockieren. Ozon ist hier besonders nützlich als Unterstützung für das Magnetfeld des Planeten, da es temperaturbasiert ist und auf natürliche Weise produziert wird, wenn es am meisten benötigt wird; an heißen Tagen (in diesem Fall näher an der Sonne)

Es sind jedoch nicht alle guten Nachrichten. Thermische Masse kann die Extreme ausgleichen, aber Sie brauchen immer noch ziemlich vielfältiges Leben, das zu einer sehr großen Temperaturschwankung fähig ist.

Wollige Mammuts (als Beispiel) würden in unserem gegenwärtigen Klima überhitzen. Viele Tiere auf der Erde sind entweder an warmes oder kaltes Klima angepasst. Variation (Mondzyklen, Tag/Nacht, Jahreszeiten usw.) treibt viele der Prozesse an, die das Leben wachsen und gedeihen lassen, aber die Variationen dürfen nicht zu groß sein, da das Tier oder die Pflanze sonst gleichzeitige, aber widersprüchliche Anpassungen benötigt, um zu überleben . Kakteen gedeihen zum Beispiel nicht gut in tropischen Klimazonen. Sie machen sich WIRKLICH nicht gut in der Arktis. Eisbären würden in Mexiko kämpfen; Sie erhalten die allgemeine Idee.

Es ist möglich, dass Ihr Leben Wege findet, dies zu umgehen, und sicherlich ist das Leben im Wasser in diesem Szenario weitaus wahrscheinlicher, aber das führt zu einer anderen Überlegung; Meeresströmungen.

Das meiste Leben im Ozean auf der Erde existiert aufgrund von Unterwasserströmungen, die sich seit einiger Zeit stabilisiert haben. Diese bringen Plankton und andere Kreaturen durch festgelegte Zonen, wo sich größere Tiere davon ernähren, wo noch größere Tiere sich davon ernähren usw. Dies schafft verlässliche Ernährungsmuster auf den Weltmeeren, was bedeutet, dass sich das Leben darauf spezialisiert, dieses Muster auszunutzen, und die Vielfalt gewährleistet ist. Bei den massiven Temperaturschwankungen, die Sie beschreiben, ist es möglich, dass diese Fütterungsmuster nicht auftreten und das Wetter chaotischer wäre.

Einer der Gründe, warum Neptun (zum Beispiel) Winde mit unglaublicher Geschwindigkeit und ohne erkennbare Coriolis-Effekte über seine Oberfläche zu fegen scheint, ist, dass er so weit von der Sonne entfernt ist. Sehr wenig Energie wird in sein Planetensystem eingeführt, also gibt es sehr wenig, um ihn zu stoppen, wenn der Wind beginnt.

Euer Planet hingegen bekommt ständig (intermittierende) Ladungen großer Energiemengen in seine atmosphärischen und Wasservorräte. Das sorgt wahrscheinlich für allerlei Chaos bei Wetter, Strömungen usw.

Das macht das Leben nicht unmöglich, aber es macht es schwer. Das Essen wird weniger vorhersehbar. Die Geburtenraten sinken dadurch.

Ist Leben auf einem solchen Planeten möglich? Sicher, unter Berücksichtigung der richtigen thermischen Masse. Ist Leben so möglich, dass es sich wahrscheinlich zu intelligentem Leben entwickeln könnte? Nein, ich fürchte nicht.

Wir verbringen wirklich nicht viel Zeit damit, darüber nachzudenken, aber wir haben unglaubliches Glück, diesen Planeten zu haben. Es ist, als würde man hunderttausende Male hintereinander im Lotto gewinnen. Selbst dann sind die Bedingungen nicht immer (und waren es sicherlich nicht immer) ideal. Auf dieser Welt, die Sie beschreiben, sind die Chancen, dass sich intelligentes Leben entwickelt, aufgrund der Tatsache verringert, dass das Leben nicht ganz so gedeihen wird wie auf der Erde. Es könnte ein vernünftiger Kolonisationsort sein, aber ich vermute, wir werden dort nicht unseresgleichen treffen.

Ich vermute, das Problem, das Ihr hypothetischer Planet haben wird, liegt weniger in der Zeit außerhalb der bewohnbaren Zone als vielmehr in der Zeit, die der Planet in der Nähe seines Perigäums (am nächsten Punkt) verbringt. Das Leben ist extrem widerstandsfähig und in der Lage, sich an einige der extremsten Umgebungen anzupassen . Tatsächlich wurden sogar außerhalb der ISS lebende Mikroben gefunden . Das Leben könnte also wahrscheinlich einen kurzen Zeitraum außerhalb der bewohnbaren Zone überstehen.

Andererseits wird die Temperatur wahrscheinlich steigen, wenn sich der Planet seinem sonnennächsten Punkt nähert, und die Umgebung wird sich drastisch ändern. Es ist eine Sache, sich an eine sehr kalte oder sehr warme Umgebung anzupassen, es ist eine andere, sich an beides anpassen zu müssen.

Ein praktikablerer Ansatz wäre eine ovalere Umlaufbahn, bei der er zweimal pro Zyklus eine kurze Zeit außerhalb der bewohnbaren Zone verbringt und sein Perigäum nicht so viel näher an der Sonne ist, dass die Umgebung gezwungen ist, sich radikal zu ändern. Ich würde auch erwarten, dass das Leben eher in unterirdischen Zufluchtsorten gedeiht, wo die Temperaturänderungen an der Oberfläche einen vernachlässigbaren Einfluss haben.

Ich sehe einige Möglichkeiten:

• Sie würden Leben brauchen, das entweder eine Zeit lang inaktiv gehen und dann unversehrt reaktiviert werden kann.
• Sie haben Leben, das abstirbt, aber Samen oder Sporen produziert, die das Leben wieder beginnen, wenn die Bedingungen stimmen. Ich würde nicht erwarten, dass sich hier intelligentes Leben entwickelt.
• Sie haben ein unterirdisches Leben. Wir haben Mikroben so weit unter der Erde, dass sie von der Oberflächentemperatur völlig unbeeinflusst bleiben.

Ich denke, dass sich das erste eher entwickeln wird, es sei denn, das Leben hat sich anderswo entwickelt und ist irgendwie auf diesen Planeten gelangt oder eine enge Begegnung mit einem anderen Planeten hat seine Umlaufbahn verschoben und das überlebende Leben hat sich entwickelt.