Ученые обнаружили геологические доказательства того, что гравитационное взаимодействие между Марсом и Землей приводит к 2,4-миллионному циклу глубоководной циркуляции и глобальному потеплению. Что произойдет, если Луна исчезнет? Звезды способны лишать атмосферы целые планеты. Открытие ретроградных орбит.
Марс влияет на климат Земли и моря
Ученые обнаружили геологические доказательства того, что гравитационное взаимодействие между Марсом и Землей приводит к 2,4-миллионному циклу глубоководной циркуляции и глобальному потеплению.
Удивительная связь между Марсом и земными морями и климатом приводит к тому, что глубинные течения усиливаются и ослабевают, и это связано с периодами увеличения солнечной энергии и более теплого климата. Исследование может помочь выяснить, как изменение климата в геологических временных масштабах (а не то, которое человечество в настоящее время вызывает посредством выбросов парниковых газов) влияет на циркуляцию океанов. По словам членов исследовательской группы, эти знания могут помочь исследователям создать более качественные климатические модели в будущем, сообщает журнал в журнале Nature Communications.
Исследовательская группа под руководством ученого из Сиднейского университета Адрианы Дуткевич приступила к изучению того, становятся ли океанские течения более сильными или более вялыми, когда климат Земли становится теплее. Для этого Дуткевич и его коллеги использовали полувековые научные данные о бурении, собранные с сотен участков по всему миру. Эти данные позволили им понять, насколько сильными были глубоководные течения за последние 50 лет.
Чтобы углубиться во времени – примерно на 65 миллионов лет, почти в эпоху динозавров – они изучили летопись глубоководных отложений Земли. Это позволило им проверить, связаны ли изменения на орбите Земли со сдвигами осадочных пород. Команда обнаружила циклы продолжительностью 2,4 миллиона лет, или «большие астрономические циклы», которые связаны с орбитами Земли и Марса.
«Мы были удивлены, обнаружив эти 2,4-миллионные циклы в наших данных о глубоководных осадках», — сказал Дуткевич. «Есть только один способ объяснить их: они связаны с циклами взаимодействия Марса и Земли, вращающихся вокруг Солнца».
Ученым давно известны астрономические великие циклы, однако они редко встречаются в геологии Земли.
На иллюстрации (не в масштабе) показаны Марс и Земля, вращающиеся вокруг Солнца. Роберт Ли/НАСА
Соавтор исследования Дитмар Мюллер, также из Сиднейского университета, объяснил, как орбиты Земли и Марса могут вызвать сдвиги в океанах.
«Гравитационные поля планет Солнечной системы мешают друг другу, и это взаимодействие, называемое резонансом, изменяет эксцентриситет планет — меру того, насколько близки к круговым их орбиты», — сказал он.
На Земле это привело к периодам, когда наша планета получала больше солнечной радиации , создавая тем самым более теплый климат. Циклы продолжительностью 2,4 миллиона лет содержали «перерывы» в глубоководных рекордах, и эти перерывы указывают на периоды более энергичной циркуляции океана.
Результаты команды показывают, что круговое движение воды, вызывающее небольшие водовороты или «водовороты» в глубинах океана, было важным фактором потепления морей.
Эти водовороты, возможно, помогли компенсировать застой океана, который, по прогнозам многих ученых, последует за замедлением атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции (AMOC). AMOC — обширная система океанских течений, несущих теплую воду из тропиков в северную часть Атлантического океана. Он отвечает за движение Гольфстрима и поддержание теплого климата в Европе.
«Мы знаем, что существует по крайней мере два отдельных механизма, которые способствуют энергичному перемешиванию глубоководных вод в океанах. AMOC — один из них, но глубокие океанские водовороты, похоже, играют важную роль в теплом климате, поддерживая вентиляцию океана». — сказал Мюллер. «Конечно, это не будет иметь такого же эффекта, как AMOC, с точки зрения транспортировки водных масс из низких широт в высокие и наоборот».
Эти водовороты часто достигают глубокого дна океана, также известного как «абиссальное морское дно». Когда-то эти огромные водовороты соединились с глубоким морским дном и могли вызвать эрозию и создать большие, похожие на сугробы, скопления отложений, называемые «контуритами».
«Наши глубоководные данные за 65 миллионов лет предполагают, что более теплые океаны имеют более энергичную глубокую циркуляцию», — заключил Дуткевич. «Это потенциально предотвратит застой океана, даже если AMOC замедлится или вообще остановится».
Команда еще не знает, как взаимодействие между орбитами Земли и Марса и динамикой океана, которое оно создает, может повлиять на жизнь в океанах Земли в будущем. Несмотря на это, результаты могут привести к более надежному моделированию климата и прогнозам.
Что произойдет, если Луна исчезнет?
Луна была связана с Землей на протяжении большей части своего 4,5-миллиардного движения вокруг Солнца. Астрофизики предполагают, что происхождение Луны связано с древним столкновением, когда объект размером с Марс врезался в нашу планету, выбросив огромное количество мусора в космос. Полученные материалы под действием гравитации объединились, образовав то, что мы сейчас называем Луной .
Мы и остальная часть жизни на Земле настолько привыкли к присутствию Луны, что трудно представить, каким было бы существование на Земле, если бы наш естественный спутник внезапно исчез. Но может ли Луна когда-нибудь ускользнуть или исчезнуть? А что произойдет, если она исчезнет?
По словам Ноя Петро, научного сотрудника лунной миссии НАСА «Артемида-3», немногие реалистичные астрономические события могли бы вызвать такое драматическое событие.
«Я думаю, что единственным правдоподобным астрономическим событием, которое могло бы отвязать Луну, был бы сильный удар по Луне, который расколол бы ее. … Подобно сильному удару, который, как полагают, привел к образованию Луны, достаточно большой объект мог бы теоретически разобьет Луну на части», — сказал Петро.
К счастью, Солнце и планеты поглотили большинство крупных объектов Солнечной системы. По словам Петро, планета-изгой, вошедшая в Солнечную систему из межзвездного пространства, может нанести ущерб, но вероятность ее столкновения с Луной чрезвычайно мала. Но, допустим, случилось так, что Луна исчезла, а Земля каким-то образом осталась относительно нетронутой.
С точки зрения физических процессов, одним из наиболее заметных нарушений станет воздействие на океанские приливы, которые несут ответственность за прибрежные экосистемы. Морская жизнь в приливных зонах либо погибнет, либо адаптируется, и мы, вероятно, станем свидетелями коллапса основных экосистем, которые полагаются на приливные зоны в качестве источников пищи. Почти три четверти населения мира проживает в пределах 31 мили (50 километров) от океана, и поэтому миллиарды людей либо собирают урожай, либо добывают пищу из приливных зон. Коллапс этой экосистемы будет иметь катастрофические последствия для прибрежных сообществ .
Кроме того, приливная эрозия прибрежных зон во многом определяет форму наших береговых линий. Этот процесс значительно замедлится, и битва между сушей и морем перейдет в (некоторое) перемирие.
Кораллы используют сигналы лунного цикла и температуры океана, чтобы влиять на цикл нереста. Здесь твердый коралл (Acropora sp.) нерестится в Национальном парке острова Лизард, Большой Барьерный риф, Квинсленд, Австралия. Auscape/Universal Images Group
Приливы также играют важную роль в общей терморегуляции океана. Более холодная и более глубокая океаническая вода во время прилива затягивается в заливы и заливы, где она нагревается. Океанические приливы также оказывают глубокое влияние на более сильные океанские течения и, следовательно, на циркуляцию океана. Эти течения также имеют обратную связь, вызывая вышележащие ветры , которые играют важную роль в регулировании прибрежного климата. Внезапное исчезновение приливных сил, которые приводят в движение эти механизмы, окажет огромное влияние на распространение тепла и энергии по планете, изменив температуру и климат до таких мест, которые мы едва ли узнаем.
Чтобы проявиться одному из самых глубоких последствий исчезновения Луны, потребуется некоторое время, но оно будет иметь огромные последствия. Ось Земли в настоящее время находится под углом 23,4 градуса относительно нашей орбиты Солнца. Однако в цикле его вращения наблюдается колебание. Но для завершения полного цикла требуется 26 000 тысяч лет, отклонение которого составляет всего 2,4 градуса. Без Луны, которая стабилизирует его, это колебание может стать экстремальным и беспорядочным. В этом сценарии предсказуемые времена года исчезнут, а полюса иногда окажутся на экваторе. Результаты радикально изменят обитаемость Земли, поскольку некогда предсказуемая окружающая среда станет враждебной для многих форм жизни.
Действительно, ряд видов и экосистем развили глубокую зависимость от физических последствий существования Луны. В конце концов, жизнь развивалась благодаря Луне и ее циклам как важному состоянию окружающей среды. Жизненные циклы или поведение некоторых видов основаны на циклах Луны. Некоторыми примерами являются виды птиц, которые полагаются на лунный свет как на сигнал для миграционных путешествий. Время восхода луны также имеет ключевое значение для синхронного нереста кораллов на Большом Барьерном рифе.
Если такой крупный объект, как планета-изгой, уничтожит Луну, маловероятно, что Земля останется относительно нетронутой
Луна также является источником ночного света для ночных видов, особенно для ночных хищников. Имеющиеся данные показали, что мелкие млекопитающие ограничивают свою активность во время высокой луны (когда больше света) из-за риска нападения хищников. Без этого света добыча получила бы серьезное преимущество над своими хищными противниками.
Отношения человечества с Луной имеют глубокие корни. Конечно, Луна была первым внеземным телом, на которое ступила нога человека, и ее исчезновение сильно повлияет на наши цели освоения космоса. Луна является ощутимой ступенькой для будущих астрономических путешествий, где мы сможем протестировать наше оборудование и узнать больше об истории Солнечной системы, не отходя слишком далеко от дома.
Луна — это капсула времени ранней Солнечной системы, отметил Петро. Изучая его, мы можем получить представление о том, как развивалось Солнце, об истории воздействий на лунную поверхность и о том, какой она была на ранних стадиях существования Солнечной системы.
Звезды оказывают на планеты гравитационное «сжатие», лишая их атмосферы
Приливные силы и радиационная бомбардировка могут привести к утечке некоторых планетарных атмосфер в космос. Ученый узнал больше о процессах, которые отрывают атмосферу от планет, и обнаружил, что сдавливание родительской звездой может способствовать этому процессу.
Исследование, проведенное Го Цзяньхэном из Юньнаньской обсерватории Китайской академии наук, может помочь астрономам лучше определить, какие внесолнечные планеты, или «экзопланеты», следует изучать более внимательно, поскольку они расширяют свои поиски жизни за пределами Солнечной системы.
Есть несколько способов, которыми планеты могут потерять свою атмосферу в космос, в том числе верхние слои атмосферы покидают планету целиком, что называется «гидродинамическим побегом». Этот процесс считается более экстремальным, чем процесс, посредством которого сегодня планеты нашей Солнечной системы выбрасывают частицы в космос посредством «гидродинамического выхода», который заставляет планету терять массу, одновременно влияя на ее климат и, следовательно, на ее обитаемость.
Цзяньхэн смоделировал потерю атмосферы из-за маломассивных экзопланет. В частности, Цзяньхэн сосредоточил внимание на механизме гидродинамического выхода из атмосферы и предложил новый метод классификации, который можно использовать для понимания этого и других процессов выхода из атмосферы.
Хотя это больше не происходит с внутренними планетами вокруг Солнца, в раннюю эпоху существования Солнечной системы гидродинамический выход атмосферы мог действительно произойти с такими планетами, как Венера и Земля. Если бы этот процесс продолжился, на нашей планете, возможно, осталась бы лишь тонкая, в основном безводная атмосфера, подобная той, которую мы видим вокруг нашего планетарного соседа, Марса.
Это означает, что понимание гидродинамического выхода атмосферы может помочь определить, почему Земля способна поддерживать жизнь, а Марс и Венера — нет.
Иллюстрация, показывающая механизмы, которые могут заставить планеты терять свою атмосферу. ГО Цзяньхэн
Хотя гидродинамический выброс атмосферы в настоящее время не приводит к разрушению атмосферы в Солнечной системе, астрономы использовали космические и наземные телескопы, чтобы определить, что эти процессы действительно происходят вокруг экзопланет, расположенных близко к их родительским звездам.
Цзяньхэн провел компьютерное моделирование маломассивных экзопланет, которое показало, что планеты с богатой водородом атмосферой могут испытывать гидродинамический выброс атмосферы в результате внутренних энергетических процессов.
Эта энергия проявляется в виде внутреннего тепла и генерируется приливными силами, которые сдавливают и сжимают планету — силами, вызванными гравитацией родительских звезд и бомбардировкой интенсивным ультрафиолетовым излучением этих звезд. Иногда эти силы могут даже деформировать планеты, придавая им яйцевидную форму.
Раньше моделирование использовалось для понимания физических механизмов, вызывающих гидродинамический выброс, но эти модели были сложными и часто приводили к неясным выводам.
Цзяньхэн, с другой стороны, утверждает, что физические параметры, необходимые для классификации механизмов гидродинамического выхода, просты. По словам исследователя, вам просто нужно подумать о характеристиках задействованных планет и звезд, таких как их массы, радиусы и расстояние между орбитами между планетой и ее звездой.
Моделирование, проведенное Цзяньхэном, показало, что для более «пухлых» и менее плотных экзопланет с малой массой и большим радиусом достаточно высокие внутренние температуры могут вызвать утечку атмосферы. Отношение внутренней энергии планеты к ее гравитационной потенциальной энергии, известное как «параметр Джинса», можно использовать для определения того, испытает ли планета выход из атмосферы. Чем меньше параметр Джинса, тем более вероятно, что произойдет утечка атмосферы.\
На иллюстрации показаны три экзопланеты, находящиеся на разных расстояниях вокруг звезды, испытывающие разные уровни радиации и гравитационных сил, которые с разной скоростью разрушают их атмосферу. Роберт Ли
Для планет, которые не могут испытывать гидродинамический побег из-за высокой внутренней энергии, Цзяньхэн обнаружил, что модифицированный параметр Джинса, учитывающий приливные силы, генерируемые звездами, может определить и различить роль, которую эти силы и крайнее ультрафиолетовое излучение играют в побеге атмосферы.
Моделирование также показало, что планеты с малой массой и высоким гравитационным потенциалом, возникающим из-за увеличения расстояния между планетой и ее звездой, а также из-за более низкого излучения, которым будет бомбардироваться такой мир, приводят к более медленному гидродинамическому выходу из атмосферы.
Полученные результаты могут помочь ученым лучше определить, как со временем меняются атмосферы маломассивных планет, помогая составить более полную картину обитаемости этих миров.
Почему все планеты вращаются в одном направлении?
Солнечная система изначально имела первоначальное направление вращения и сохраняла его на протяжении 4,6 миллиардов лет. Чтобы заставить планету изменить свой путь вокруг Солнца, что-то массивное должно заставить ее перейти на измененную орбиту под действием своей гравитации.
Астрономы обнаружили планеты вокруг других звезд с ретроградными орбитами, которые движутся в направлении, противоположном вращению своих звезд.
Если бы вы могли вернуться на 4,6 миллиарда лет назад, вы бы увидели время, когда наша Солнечная система еще не существовала. Но космос не был бы пустым — вместо нашего Солнца и планет вы бы столкнулись с облаком газа и пыли. Эта «солнечная туманность» когда-то была богатым источником газа и пыли, формировавшими нашу Солнечную систему. Туманности — это конечный результат предсмертных агоний звезды, когда звезда взрывным образом сбрасывает весь свой материал. Они также являются рассадниками новых звезд и сопровождающих их планет и могут помочь объяснить, почему все наши планеты вращаются в одном направлении.
Наше современное объяснение создания Солнечной системы выглядит следующим образом: ударная волна от соседней звезды, ставшей сверхновой, инициировала коллапс нашей солнечной туманности. Когда близлежащая гигантская звезда взорвалась, частицы высокой энергии взорвали туманность, вызвав коллапс карманов материи и газа.
Отсюда образовалась мощная гравитационная центральная точка, вокруг которой вращалась остальная часть конденсирующегося облака. Давление ядра заставило атомы водорода объединиться и образовать гелий, высвободив огромное количество тепла и света, поглотив более 99 процентов доступной материи в облаке. Центр коллапсирующей туманности стал нашим Солнцем, а остальная часть материи слиплась вместе, образовав знакомые нам планеты, луны и другие каменистые тела, такие как астероиды.
Когда солнечная туманность схлопнулась, материя внутри начала вращаться быстрее под действием собственной гравитации. Из-за сохранения углового момента — скорости вращения объекта вокруг центральной оси — скорость вращения облака увеличилась, и оно выровнялось. Поскольку облако изначально вращалось, то же направление вращения сохранилось. По мнению астрономов, по большей части планеты сохранили свои положения в одной орбитальной плоскости. Венера и Уран в какой-то момент испытали большую турбулентность. Астрономы полагают, что движения Юпитера и Сатурна, которые также удалились дальше от Солнца, повлияли на эти две меньшие планеты и изменили их движение.
Первоначальное направление вращения было случайным. Если смотреть сверху на северный полюс Солнца, плоскость орбиты Солнечной системы могла бы начать вращаться либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Оказывается, мы все путешествуем вокруг Солнца против часовой стрелки, но в этом нет ничего особенного.
Наши планеты (и сопровождающие их спутники) вращаются вокруг Солнца в том же направлении, в котором вращается Солнце. Тем не менее, некоторые кометы и астероиды действительно движутся вокруг Солнца по ретроградным орбитам – в противоположность вращению Солнца – потому что их относительно небольшая масса позволяет более крупным космическим объектам легче уводить их от первоначального направления.
Чтобы изменить орбиту планеты, потребуются огромные затраты энергии или близкое столкновение с другой планетой. В качестве альтернативы, далекий космический объект размером с планету может оказать собственную гравитационную силу, чтобы противодействовать родной звезде. Например, экзопланета Кеплер-2b, газовый гигант, вращающийся вокруг звезды на расстоянии более 1040 световых лет от нас, возможно, была выведена на наклонную и вытянутую орбиту из-за большой гравитационной силы, возможно, из-за другой планеты. Наклон фактически перевернул орбиту Кеплера-2b. Юпитер совершил нечто подобное с астероидами в нашей Солнечной системе. Спутник Нептуна Тритон, спутник Сатурна Феба и кармские спутники Юпитера также имеют ретроградные орбиты вокруг своих планет.