Civilisation printanière, 5/5

Je répète encore une fois: nous recherchons l'alignement le plus probable. Oui, la question est pertinente à presque chaque tour de l'argument: "Est-il possible de faire le contraire?" Et la réponse sera généralement: «Oui, vous le pouvez. Mais la première option est toujours considérée comme la plus courante aujourd'hui. »

Commençons par la biochimie. S'il est généralement admis que la base de l'esprit est la vie et que la base de la vie est la chimie, alors cette chimie fonctionne beaucoup mieux dans un solvant liquide. Les molécules sont proches les unes des autres. Mélange gratuit. Et si le solvant est «bon», il stabilise également les «bonnes» molécules. Par conséquent, du liquide est nécessaire. Quels sont les candidats?

Jetez un œil à la composition chimique de l'univers:


^{(Selon [ 990 ])}

Par ordre de prévalence, quel composé chimique est composé en premier de ces éléments? Oui. De l'eau. H ₂ O. Il est composé des premier et troisième éléments les plus courants. Voici le méthane CH ₄ , deux fois moins souvent. Ensuite, l'ammoniac NH ₃ , mais dans la nature, il est déjà 6 fois moins que l'eau. Oui, bien sûr, c'est un «hôpital moyen», les planètes individuelles peuvent différer par leur composition chimique. Mais, mis à part la perte d'hydrogène, des hypothèses plutôt banales sont nécessaires pour justifier une planète où, disons, il y aura plus d'azote que d'oxygène. L'univers dans son ensemble est de composition assez uniforme. Et l'eau qu'il contient est le composé chimique le plus courant. Il est assez surprenant qu'il y ait parfois encore des endroits où il n'y a presque pas d'eau ...

En plus de la prévalence, l'eau présente un certain nombre d'avantages par rapport aux dix meilleurs candidats alternatifs. Ce sont: une stabilité chimique élevée; des liaisons hydrogène fortes; la présence, mais une polarité modérée, conduisant à la capacité de dissoudre sans destruction une énorme quantité de substances et de soutenir les réactions acide-base; capacité thermique élevée et chaleur d'évaporation, augmentant la stabilité de la température des plans d'eau; la transparence et, enfin, le fait que la glace d'eau est plus légère que le liquide, de sorte que l'eau en hiver est moins susceptible de geler au fond.

Par conséquent, le solvant le plus probable "avec eux" est l'eau.

Le mot "solvant" signifie un état liquide. Cela signifie que la température moyenne à la surface de la planète ne doit pas être inférieure à au moins 250 Kelvin. Et d'où vient la limite supérieure de 400 K? Elle est déterminée par la stabilité des composés carbonés. Pourquoi le carbone? Pour les mêmes raisons que pour l'eau. Oui, ce n'est pas seulement le carbone qui peut former des polymères complexes «entremêlés» avec d'autres éléments. Le bore, le phosphore, une liaison silicium-oxygène et même un certain nombre de métaux peuvent le faire:



Cependant, le carbone les frappe dans la fréquence d'occurrence des centaines et des milliers de fois, laissant la «vie borique» à moins de niches absolument exotiques.

Puisque nous sommes ici, nous comprendrons encore une chose. Quel est le composé volatil non hydrogène le plus courant? La plaque vous dit: c'est du dioxyde de carbone CO ₂ . Bien sûr, son contenu en béton dans l'une ou l'autre atmosphère (comme le gaz) ou la croûte (sous forme de carbonates) ne peut pas être appelé aussi simplement. Mais il est extrêmement difficile d'imaginer une planète avec une atmosphère sans hydrogène et une température normale, où le dioxyde de carbone (lié ou libre) n'aurait pas du tout été. Il faut trouver au moins 0,01%.

Et c'est important. Car la prévalence du dioxyde de carbone dans la nature impose une limite supérieure à la densité de l'atmosphère. À partir d'une certaine épaisseur, l'atmosphère, où il y a même un peu de CO ₂ , ne commencera pas seulement à surchauffer sous l'effet de serre. Il commencera à chasser le CO ₂ lié hors de la croûte et ainsi à se réchauffer avec l'accélération. C’est comme sur Vénus. Il est difficile de dire à quelle pression exacte cela se produit et tout dépend de nombreux paramètres. Mais très probablement, nous parlons de centaines d'atmosphères.

Ainsi, l'atmosphère de la planète n'est pas aussi épaisse que celle d'un géant. Mais pas trop mince. Car, si la pression est nettement inférieure à 0,1 atmosphère, la plage de température de l'existence de l'eau sous forme liquide est fortement rétrécie.

Dans une atmosphère d'épaisseur modérée, le régime de température est largement déterminé par la lumière solaire. Cela signifie que la planète tourne autour de l'étoile à une distance où la lumière naturelle du soleil maintient la température à peu près la même 250-400 Kelvin. Dans la soi-disant "zone habitable" ^{[ 948 ]} .

Mais l'eau, le méthane, l'ammoniac et autres «glaces» ne se condensent pas bien sous vide à des températures de 250 K et plus. Par conséquent, dans le domaine de la formation des planètes, il y en aura peu et ils ne deviendront pas les composants prédominants de sa composition. Cela signifie que «leur» planète sera formée de substances à point d'ébullition plus élevé: les métaux et les «pierres», c'est-à-dire oxydes (et éventuellement carbures) des dix éléments les plus courants énumérés ci-dessus. De là, nous connaissons à peu près la densité de sa substance.

De plus, une planète habitée à évolution chimique doit maintenir une tectonique active pendant des milliards d'années. Parce que sinon le climat de la planète avec de l'eau et du CO ₂ dans l'atmosphère tombe dans une "boule de glace" et / ou un état semblable à Mars. La Lune et Mars dans le système solaire sont tectoniquement depuis longtemps (presque) mortes. Mais la Terre et Vénus - non. Cela signifie que la limite inférieure du diamètre de la planète passe quelque part entre Mars et Vénus. À la vue de milliers, c'est 8 kilomètres. Oui, un excès de radionucléides peut fournir du chauffage et de l'activité et un corps beaucoup plus petit. Mais c'est une solution un peu moins probable. Parce que la quantité de chaleur radiogène est proportionnelle au premier degré de la masse de la planète, et à l'accumulation et à la chaleur de différenciation au carré. Autrement dit, "en moyenne par nature", il est plus facile d'assurer l'activité du sous-sol avec une masse supérieure à une concentration plus élevée de radionucléides. Et oui, bien sûr, une planète qui est le satellite d'un géant pourrait bien être chauffée par des effets de marée (comme Io), mais nous n'avons pas encore vraiment trouvé d'exoloon, donc cette variante n'est pas typique.

La limite supérieure de taille est déterminée par la transition vers le gigantisme. Au-dessus d'une certaine masse, la rétention (ou même la capture) de l'hydrogène et de l'hélium commence, et à la sortie on obtient Neptune ou même Jupiter. Les estimations de la masse à laquelle cela se produit varient, j'ai vu des chiffres de 2 à ~ 10 masses terrestres, mais la limite supérieure exacte, comme nous le verrons, n'est pas si importante. Il suffit donc de prendre le rayon supérieur pour nos 2, c'est-à-dire 13 mille kilomètres.

Eh bien, le dernier. Connaissant la composition chimique approximative ("pierres" avec des métaux) et sa taille, vous pouvez estimer la densité de la planète, en tenant compte de la compression. Ce sera quelque part autour de 4000-9000 kg / m ³ .

^{L'article a été écrit pour le site https://habr.com . Lors de la copie, veuillez vous référer à la source. L'auteur de l'article est Evgeny Bobukh . B: 1KhPVPHw4XrxtuocDiBbh7KVSJ6nDTHtMq; E: 0x3d174b521004B08023E49C216e4fa2f67868210F; L: LZ3bFQHUxBAtpgxcNSfwv61LiwZVx3EGoo}

Rappelons l'expression de la première vitesse cosmique: V ₁ ² = GM _p / R. Ayant révélé la masse de la planète M _p , on obtient V ₁ ² = (4 π / 3) GρR ² .

Ensuite, qu'est-ce que tu ? Dans une fusée chimique, elle ne dépasse pas √2 q , où q est le pouvoir calorifique du carburant chimique de plus haute énergie. Il s'ensuit:

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

Rappelez-vous maintenant que des choses se produisent sur la planète. Une planète est une telle chose, qui ne peut en aucun cas prendre la forme d'une valise ou d'un bonhomme de neige, contrairement à l'astéroïde Ultima Thule ^{[ 950 ]} . Car même s'il prend cette forme d'une manière catastrophique, le matériau de la planète «flottera» immédiatement sous la pression de son propre poids et reviendra à l'état sphérique. Cette propriété est en effet un élément clé de la définition de la planète ^{[ 960 ]} : "<...> le corps <...> est suffisamment massif pour avoir une forme sphérique sous l'influence de sa propre gravité <...>".

Par exemple, la pression au centre de la terre est de ^{[ 970 ]} 3,5 * 10 ¹¹ pascals. C'est beaucoup plus élevé que la résistance à la traction ^{[ 355 ] des} minéraux ^les plus persistants - pour quelle raison tous dans les profondeurs de la planète se comportent plus comme un liquide visqueux que des substances solides.

Nous introduisons le «coefficient planétaire» P sans dimension égal au rapport de la pression au centre de la planète sur la résistance à la traction des matériaux qui composent la planète:

P = p / σ [15]

Pour la Terre, P est d'environ 1700, pour Mars - environ 250, et même pour la Lune - environ 45. En général, pour les grandes planètes actives tectoniquement (quelle que soit leur composition), P > ≈ 1000-3000.

Il n'y avait qu'une bagatelle: écrire la formule de la pression au centre de la planète. Dans une première approximation, elle est estimée comme p ≈ ρgR / 2 , où ρ est la densité de la planète, et R est son rayon. En substituant ici g = GM / R ² et M = (4 π / 3) ρR ³ on obtient:

p ≈ (2 π / 3) Gρ ² R ² .

Ouah! Et cela est très similaire à la formule [10]. Presque les mêmes facteurs. Et si combiné? Il se révélera:

V ₁ ² / u ² > 2 p / ( ρq ) [20]

Mais p est lié au "coefficient planétaire". À savoir, p = σP. Remplacez ceci:

V ₁ ² / u ² > 2 σ / ( ρq )

Réécrivez un peu:

V ₁ ² / u ² > 2 P * ( σ / ρ ) / q

( σ / ρ ) est la limite élastique du contenu énergétique de la matière. Certes, si vous remplacez ici les matériaux les plus durables comme le graphène. Les vraies roches sont plus molles et ont moins d'énergie. Soit K fois. Autrement dit, pour les planètes réelles ( σ / ρ ), la limite du printemps est divisée par K. Qu'est-ce que q ? C'est le contenu énergétique du meilleur carburant chimique! Égal ... au printemps! Deux limites de printemps sont raccourcies et restent:

V ₁ ² / u ² > 2 P / K

K pour les matériaux en pierre typiques est 100-1000. P pour les grandes planètes - parmi des milliers et des dizaines de milliers. Par conséquent, sur la plupart des planètes à activité tectonique avec une atmosphère, la première vitesse cosmique est significativement plus élevée que la vitesse limite de l'écoulement d'un moteur chimique.