Civilización de primavera, 5/5

Repito una vez más: estamos buscando la alineación más probable. Sí, la pregunta es relevante en casi todos los aspectos del argumento: "¿Es posible hacer lo contrario?" Y la respuesta generalmente será: “Sí, puedes. Pero la primera opción todavía se considera la más común hoy en día ".

Comencemos con la bioquímica. Si generalmente se acepta que la base de la mente es la vida, y la base de la vida es la química, entonces esta química funciona mucho mejor en un solvente líquido. Las moléculas están cerca una de la otra. Mezcla libre Y si el solvente es "bueno", también estabiliza las moléculas "correctas". Por lo tanto, se necesita líquido. ¿Qué son los candidatos?

Echa un vistazo a la composición química del universo:


^{(Según [ 990 ])}

En orden de prevalencia, ¿qué compuesto químico se compone primero de estos elementos? Derecho Agua H2O . Está hecho del primer y tercer elemento más común. El siguiente es metano CH ₄ , la mitad de la frecuencia. Entonces amoniaco NH ₃ , pero en la naturaleza ya es 6 veces menos que el agua. Sí, por supuesto, este es un "hospital promedio", los planetas individuales pueden diferir en la composición química. Pero, aparte de la pérdida de hidrógeno, se requieren suposiciones no triviales para justificar un planeta donde, por ejemplo, habrá más nitrógeno que oxígeno. El universo en su conjunto es bastante uniforme en su composición. Y el agua que contiene es el compuesto químico más común. Es bastante sorprendente que a veces todavía hay lugares donde casi no hay agua ...

Además de la prevalencia, el agua tiene una serie de ventajas en comparación con los diez principales candidatos alternativos. Estos son: alta estabilidad química; fuertes enlaces de hidrógeno; la presencia, pero la polaridad moderada, lo que lleva a la capacidad de disolver sin destrucción una gran cantidad de sustancias y apoyar reacciones ácido-base; alta capacidad calorífica y calor de evaporación, aumentando la estabilidad de la temperatura de los cuerpos de agua; transparencia y, finalmente, el hecho de que el hielo de agua es más ligero que el líquido, por lo que es menos probable que el agua en invierno se congele hasta el fondo.

Por lo tanto, el solvente más probable "con ellos" es el agua.

La palabra "solvente" significa un estado líquido. Esto significa que la temperatura promedio en la superficie del planeta no debe ser inferior a al menos 250 Kelvin. ¿Y de dónde viene el límite superior de 400 K? Está determinado por la estabilidad de los compuestos de carbono. ¿Por qué carbono? Por los mismos motivos que con el agua. Sí, no solo el carbono puede formar polímeros complejos "intercalados" con otros elementos. El boro, el fósforo, un enlace silicio-oxígeno e incluso varios metales pueden hacer esto:



Sin embargo, el carbono los golpea en la frecuencia de ocurrencia cientos y miles de veces, dejando "vida bórica" ​​a menos que nichos absolutamente exóticos.

Como estamos aquí, entenderemos una cosa más. ¿Cuál es el compuesto volátil no hidrógeno más común? La placa te dice: es dióxido de carbono CO ₂ . Por supuesto, su contenido concreto en una u otra atmósfera (como gas) o corteza (en forma de carbonatos) no puede llamarse así de simple. Pero es extremadamente difícil imaginar un planeta con una atmósfera que no sea de hidrógeno y una temperatura normal, donde el dióxido de carbono (unido o libre) no hubiera estado en absoluto. Se debe encontrar al menos 0.01%.

Y eso es importante. La prevalencia del dióxido de carbono en la naturaleza impone un límite superior a la densidad de la atmósfera. A partir de un cierto espesor, la atmósfera, donde hay incluso un poco de CO ₂ , no comenzará a recalentarse debido al efecto invernadero. Comenzará a expulsar el CO ₂ unido de la corteza y, por lo tanto, se calentará con la aceleración. Es como en Venus. Es difícil decir a qué presión exacta ocurre esto, y todo depende de muchos parámetros. Pero lo más probable es que estemos hablando de cientos de atmósferas.

Entonces, la atmósfera del planeta no es tan gruesa como la de un gigante. Pero no muy delgado. Porque, si la presión es significativamente menor que 0.1 atmósfera, el rango de temperatura de la existencia de agua en forma líquida se reduce considerablemente.

En una atmósfera de espesor moderado, el régimen de temperatura está determinado en gran medida por la luz solar. Esto significa que el planeta gira alrededor de la estrella a una distancia donde la luz solar natural mantiene la temperatura aproximadamente a los 250-400 Kelvin. En la llamada "zona habitable" ^{[ 948 ]} .

Pero el agua, el metano, el amoníaco y otros "hielos" no se condensan bien al vacío a temperaturas de 250 K y superiores. En consecuencia, en el campo de la formación de planetas habrá pocos de ellos, y no se convertirán en los componentes predominantes de su composición. Esto significa que "su" planeta se formará a partir de sustancias de mayor ebullición: metales y "piedras", es decir óxidos (y posiblemente carburos) de los diez elementos más comunes enumerados anteriormente. A partir de aquí, aproximadamente conocemos la densidad de su sustancia.

Además, un planeta habitado con evolución química debe mantener la tectónica activa durante miles de millones de años. Porque de lo contrario, el clima del planeta con agua y CO ₂ en la atmósfera cae en una "bola de hielo" y / o un estado similar a Marte. La Luna y Marte en el Sistema Solar han estado tectónicamente durante mucho tiempo (casi) muertos. Pero la Tierra y Venus, no. Esto significa que el límite inferior del diámetro del planeta pasa en algún lugar entre Marte y Venus. A la vista de miles, son 8 kilómetros. Sí, un exceso de radionúclidos puede proporcionar calentamiento y actividad y un cuerpo mucho más pequeño. Pero esta es una solución un poco menos probable. Porque la cantidad de calor radiogénico es proporcional al primer grado de la masa del planeta, y la acumulación y el calor de diferenciación al cuadrado. Es decir, "en promedio por naturaleza" es más fácil asegurar la actividad del subsuelo con una masa mayor que una mayor concentración de radionucleidos. Y sí, por supuesto, un planeta que es un satélite de un gigante puede ser calentado por los efectos de las mareas (como Io), pero todavía no hemos encontrado un exoloon, por lo que esta variante no es típica.

El límite superior de tamaño está determinado por la transición al gigantismo. Por encima de cierta masa, comienza la retención (o incluso la captura) de hidrógeno y helio, y en la salida obtenemos Neptuno o incluso Júpiter. Las estimaciones de la masa a la que sucede esto varían, vi cifras de 2 a ~ 10 masas terrestres, pero el límite superior exacto, como veremos, no es tan importante. Así que solo tome el radio superior para nuestro 2, es decir 13 mil kilómetros.

Bueno, el ultimo. Conociendo la composición química aproximada ("piedras" con metales) y el tamaño, puede estimar la densidad del planeta, teniendo en cuenta la compresión. Será en algún lugar alrededor de 4000-9000 kg / m ³ .

^{El artículo fue escrito para el sitio https://habr.com . Al copiar, consulte la fuente. El autor del artículo es Evgeny Bobukh . B: 1KhPVPHw4XrxtuocDiBbh7KVSJ6nDTHtMq; E: 0x3d174b521004B08023E49C216e4fa2f67868210F; L: LZ3bFQHUxBAtpgxcNSfwv61LiwZVx3EGoo}

Recordemos la expresión para la primera velocidad cósmica: V ₁ ² = GM _p / R. Habiendo revelado la masa del planeta M _p , obtenemos V ₁ ² = (4 π / 3) GρR ² .

A continuación, ¿qué eres ? En un cohete químico, no es más que √2 q , donde q es el valor calorífico del combustible químico de mayor energía. Sigue:

V ₁ ² / u ² > (4 π / 3) GρR ² / q [10]

Ahora recuerda que están sucediendo cosas en el planeta. Un planeta es tal cosa, que de ninguna manera puede tomar la forma de una maleta o un muñeco de nieve, a diferencia del asteroide Ultima Thule ^{[ 950 ]} . Porque incluso si toma esta forma de una manera catastrófica, el material del planeta inmediatamente "flotará" bajo la presión de su propio peso y volverá al estado esférico. Esta propiedad, de hecho, es una parte clave de la definición del planeta ^{[ 960 ]} : "<...> el cuerpo <...> es lo suficientemente masivo como para tener una forma esférica bajo la influencia de su propia gravedad <...>".

Por ejemplo, la presión en el centro de la tierra es ^{[ 970 ]} 3.5 * 10 ¹¹ pascales. Esto es mucho más alto que la resistencia a la tracción ^{[ 355 ] de los} minerales más persistentes, por lo que todos ellos en las profundidades del planeta se comportan más como un líquido viscoso que como sustancias sólidas.

Introducimos el "coeficiente planetario" adimensional P igual a la relación entre la presión en el centro del planeta y la resistencia a la tracción de los materiales que conforman el planeta:

P = p / σ [15]

Para la Tierra, P es algo alrededor de 1700, para Marte, alrededor de 250 e incluso para la Luna, alrededor de 45. En general, para planetas grandes tectónicamente activos (independientemente de su composición), P > ≈ 1000-3000.

Había una simple bagatela: escribir la fórmula para la presión en el centro del planeta. En una primera aproximación, se estima como p ≈ ρgR / 2 , donde ρ es la densidad del planeta y R es su radio. Sustituyendo aquí g = GM / R ² y M = (4 π / 3) ρR ³ obtenemos:

p ≈ (2 π / 3) Gρ ² R ² .

Wow! Y esto es muy similar a la fórmula [10]. Casi los mismos factores. ¿Qué pasa si se combina? Resultará:

V ₁ ² / u ² > 2 p / ( ρq ) [20]

Pero p está ligado al "coeficiente planetario". A saber, p = σP. Sustituir esto:

V ₁ ² / u ² > 2 σ / ( ρq )

Reescribe un poco:

V ₁ ² / u ² > 2 P * ( σ / ρ ) / q

( σ / ρ ) es el límite de resorte del contenido de energía de la materia. Es cierto, si sustituye aquí los materiales más duraderos como el grafeno. Las rocas reales son más suaves y tienen menos contenido de energía. Deje K veces. Es decir, para planetas reales ( σ / ρ ) es el límite de resorte dividido por K. ¿Qué es q ? ¡Este es el contenido energético del mejor combustible químico! Igual ... al alcance de la primavera! Dos límites de primavera se acortan y quedan:

V ₁ ² / u ² > 2 P / K

K para materiales de piedra típicos es 100-1000. P para planetas grandes: de mil y decenas de miles. Por lo tanto, en la mayoría de los planetas tectónicamente activos con una atmósfera, la primera velocidad cósmica es significativamente mayor que la velocidad límite del flujo de salida de un motor químico.