Notka popularno naukowa - pasjonatów biologii i astronomi proszę o wyrozumiałość za częste uproszczenia.
Sadzę, że mało kto zastanawia się na co dzień, jak wielkie mamy szczęście, że żyjemy na tak przyjaznej życiu planecie. Z kolei to, że Ziemia jest dla życia przyjazna jest wielka wygrana w kosmicznym totolotku - maleńka zmiana jakiegoś nieistotnego wydawałoby się elementu i albo zmieniamy się w zimnego Marsa, albo w gorąca Wenus.
Zacznijmy może od najważniejszego źródła życia - dającego energię Słońca. Jest to średniej wielkości gwiazda typu żółty karzeł - z szacowanym czasem życia ok. 10 mld lat. Gdyby była choćby odrobinę większa emitowałaby zbyt dużo energii, by życie mogło się rozwijać. I odwrotnie - gwiazda zbyt mała nie dostarczyłaby wystarczająco dużo energii w miejsce, w którym jest Ziemia. Teoretycznie możliwe jest, że nawet bardzo małe i "ciemne" gwiazdy mogą dostarczyć planecie odpowiednia ilość energii - jednak ich orbity muszą być wtedy bardzo blisko - co z kolei może być niekorzystne z uwagi na promieniowanie i wiatr gwiezdny. Z tego co wiem (choć przyznać tu trzeba, że sporo z powyższych to nie obserwacje ale prawdopodobne hipotezy) gwiazda większa od Słońca generalnie życiu nie sprzyja, niezależnie od tego, jak daleko od niej się znajduje - gwiazdy większe od Słońca żyją dużo krócej, szybciej też przechodzą ewolucję prowadzącą ostatecznie do unicestwienia obcego układu słonecznego. Życie nie ma stabilnych warunków ani też czasu, by się rozwinąć.
Oprócz odpowiedniego źródła energii bardzo ważne jest miejsce planety w Układzie Słonecznym. W astrobiologii powszechnie dziś przyjmuje się, że strefa odpowiednia dla rozwoju życia z grubsza pokrywa się z możliwością występowania wody w stanie ciekłym. Zbyt daleko od Gwiazdy i ilość energii jest zbyt mała, by woda występowała w stanie ciekłym. W naszym Układzie Słonecznym przykładem takiej położonej zbyt daleko od Słońca planety jest Mars. Wenus z kolei położona jest zbyt blisko. Oczywiście to tylko pewne uproszczenie, nawet w samym Układzie Słonecznym są wyjątki: na zimnym księżycu Jowisza, Europie, pod pokrywa lodowa istnieje ciepła woda utrzymywana dzięki ciepłu generowanemu przez siły grawitacyjne tej ogromnej planety. Może istnieć jeszcze wiele nieznanych nam mechanizmów utrzymujących wodę w stanie ciekłym w najdalszych, najzimniejszych peryferiach obcych układów planetarnych. Powód dla którego tak mocno trzymamy się Ziemskiej perspektywy jest prosty - chcemy znaleźć planetę możliwie podobna do naszej. Marzymy o tym, by jej Słońce było żółtym karłem, jak nasze, by była tej samej wielkości (grawitacja), w tej samej odległości. To jednak jeszcze nie koniec warunków.
Jak już wspomniałem planeta powinna też mieć "właściwa" wielkość. Zbyt mała nie "przytrzyma" atmosfery, zbyt duża będzie wytwarzać grawitację niemożliwa do podtrzymania życia. Znamy już ponad 5 000 planet pozasłonecznych, z tego kilka - kilkanaście to prawdopodobnie planety skaliste znajdujące się w ekosferze. Niby niewiele - jednak tu trzeba pamiętać, że po pierwsze ta mała liczba wynikać może po prostu z niedoskonałości metod obserwacji obiektów znajdujących się niezwykle daleko, po drugie nawet te kilkanaście "trafień" na kilka tysięcy "strzałów" uwzględniając właściwie nieskończona liczbę gwiazd daje duże prawdopodobieństwo powszechności bliźniaczek Ziemi. Po trzecie w końcu, patrząc na życie w kosmosie z perspektywy ludzkiej zapominamy często, że na Ziemi życie pierwotne trwa i w gorących źródłach, i w pozbawionych światła słonecznego kominach hydrotermalnych i w toksycznych jeziorach wulkanicznych. Skoro na Ziemi życie przetrwało w warunkach ekstremalnych, to nie możemy wykluczyć, że znajdziemy je na innych planetach, które dla nas będą niegościnne. Być może wcale nie musi to być też życie oparte na węglu.
Dobrze, wyobraźmy sobie, że Ziemię dotyka ogromna katastrofa i w celu uratowania choć części ludzkości przygotowujemy kilkanaście statków kosmicznych. Zostało nam kilkanaście lat na przygotowania. Zgodnie z naszymi obecnymi możliwościami technicznymi możemy zapomnieć o szybkiej i bezpiecznej podróży. Więcej, raczej niemożliwe obecnie jest wysłanie nawet do najbliższej nam gwiazdy, odległej "zaledwie" o 4 lata świetlne, misji załogowej. Przy naszych obecnych możliwościach technicznych podróż tam trwałaby ok. 6 000 lat... Inne cele to setki tysięcy, miliony lat lotu... Załóżmy jednak, że uda nam się w ciągu najbliższej dekady osiągnąć 10% prędkości światła. Szukamy planety nadającej się do życia i znajdującej się możliwie blisko - ustalamy granicę na 1000 lat lotu. Od razu też wykluczamy statki załogowe, w tym wielopokoleniowe - były by zbyt duże (systemy podtrzymania życia, zbiorniki wody, farmy hydroponiczne, kajuty, osłony przed promieniowaniem) i wymagałyby zbyt dużo cennego paliwa. Stawiamy na matryce genetyczne i sztuczne łożyska - okrutne, ale tylko takie rozwiązanie wchodziłoby w grę. Na co więc jeszcze zwrócić uwagę przy poszukiwaniach drugiej Ziemi?
Wagę małych różnic dobrze pokazuje Księżyc. Jest on w odpowiedniej strefie, teoretycznie też nie jest zbyt mały. Nie ma jednak bardzo ważnego składnika - atmosfery. Bez niej nic na Księżycu nie zatrzymuje energii podczerwonej (cieplnej). Bez atmosfery nie ma ochrony życia przed promieniowaniem kosmicznym, bez niej nie mogą istnieć oceany. Do powstania pierwotnej atmosfery i jej późniejszego podtrzymania niezbędna jest odpowiednia wielkość planety i grawitacja oraz czynny wulkanizm - emitujący gazy (dwutlenek węgla, parę wodna, azot). Mars, bez aktywności wulkanicznej, nie był w stanie utrzymać atmosfery. Z kolei Wenus atmosferę ma zbyt gęsta i toksyczna. Również skład atmosfery i jej gęstość powinna być maksymalnie zbliżona do warunków ziemskich. Szukamy planet na których istnieje atmosfera bogata w tlen byśmy mogli oddychać i ozon, chroniący nas przed promieniowaniem kosmicznym. Zbyt dużo tlenu w atmosferze czyni go toksycznym, zbyt mało i nie możemy oddychać.
Powiedzmy, że udało nam się wytypować dziesięć planet z "odpowiednim" słońcem, znajdujących się w ekosferze, skalistych i porównywalnej z Ziemia wielkości, aktywnym wulkanizmem, atmosfera tlenowa... Wydawało by się, że listy podobieństw jest na tyle duża, że planety te przypominać będą Ziemię. Okazuje się jednak, że tak nie jest - kilka z nich jest nieznośnie gorących, kilka zbyt zimnych - jedna nawet jest zmrożona po równik. Co pominęliśmy? Skład atmosfery i kształtowany przez ten skład efekt cieplarniany! Potrzebujemy planety z łagodnym i w miarę stabilnym klimatem. Sprawdzamy więc rodzaj i ilość gazów cieplarnianych na tych dziesięciu planetach. Na jednej z nich jest bardzo wysoka koncentracja gazów cieplarnianych i jest zmrożona po równik (tak, tak, nie pomyliłem się!:P), na innej jest mało gazów cieplarnianych i też ma wielkie lądolody, pozostałe maja średnie poziomy gazów cieplarnianych i różne klimaty, w tym jednej klimat jest bardzo niestabilny. Czyżby więc gazy cieplarniane nie miały znaczenia? Bład! Co więcej, logika ukierunkowana nasza wiedza z paleoklimatu nakazywałaby wybrać planetę zlodzona i jednocześnie z największym stężeniem gazów cieplarnianych! Bzdury? Co jeśli powiem, że właśnie ta planeta byłaby najbardziej podobna do Ziemi?
Otóż z badań paleoklimatologicznych wiemy, że wysokie stężenie dwutlenku węgla nie jest sprzeczne z tym, że ziemia co najmniej kilka razy "zmrożona" była po sam równik ("Ziemia - Śnieżka"). Mechanizm tego pozornie sprzecznego zjawiska jest prosty: najpierw, by doszło do zlodowacenia na tak ogromna skale potrzeba wystąpienia co najmniej jednej z tych przyczyn: niskiego stężenia gazów cieplarnianych (np. w wyniku zwiększonego wietrzenia chemicznego skał, co najczęściej ma miejsce podczas powstawania nowych pasm górskich) i/lub "zapylenia" atmosfery (np podczas okresu bardzo intensywnego wulkanizmu), i/lub zmiany nachylenia osi ziemi. Każdy z tych czynników działać może osobno, synchronicznie lub niesynchronicznie, wzajemnie się nakładać, wzmacniać czy osłabiać. Ochładzający efekt niskiego stężenia gazów cieplarnianych może być wzmacniany przez niska aktywność Słoneczna lub osłabiany przez wysoka. Gdy atmosfera będzie "czysta" w wyniku długiego braku intensywnej aktywności wulkanicznej "wymuszać" będzie ocieplenie, osłabiając ochładzający efekt niskiego stężenia gazów cieplarnianych. Zawsze w klimacie nakłada się na siebie wpływ kilkudziesięciu czynników, zarówno działając na siebie osłabiająco jak i wzmacniająco.
Dobrze, ale wspomniałem o zlodowaceniu zachodzącym przy wysokim stężeniu gazów cieplarnianym. Załóżmy, że w grze tych kilkudziesięciu czynników na dominująca rolę "wysforował" się wpływ niezwykle intensywnego wulkanizmu. W stosunkowo krótkim (geologicznie) czasie kilku tysięcy lat wybucha wiele bardzo dużych wulkanów, emitujących do atmosfery pyły i związki siarki. I pyły wulkaniczne i związki siarki mocno zmniejszają dopływ energii Słonecznej do Ziemi. Stopniowo się ochładza, od biegunów powiększają się czapy lodowe. Śnieg i lód obniżają albedo, odbijają promienie słoneczne do atmosfery - grunt nie może się ogrzać. Temperatura znowu spada a im zimniej, tym mniej pary wodnej w atmosferze, wilgoć wykrapla się pod postacią śniegu - co znowu zwiększa czapy lodowe. Para wodna jest najsilniejszym gazem cieplarnianym, ale nie jako czynnik zmian a jako potężny wzmacniacz wpływu innych czynników. Gdy więc spada koncentracja pary wodnej robi się znowu jeszcze zimniej - powstaje samonapędzajaca się spirala ochłodzenia klimatu wywołana pierwotnym zaburzeniem prowadząca ostatecznie do zlodzenia całej planety. Na szczęście nie jest to jednak - pod warunkiem, że trwają procesy wulkaniczne - stan stały. Otóż zlodzenie całej Ziemi (przypomnę - wiemy z paleogeologi, że wydarzyło się to kilka razy) niemal do zera zatrzymuje fotosyntezę. Nic nie usuwa z obiegu dwutlenku węgla i jego stężenie powoli rośnie. Z kolei całkowite zlodzenie (poza równikiem) Ziemi oznacza bardzo wysokie albedo obniżające temperatury. O ile więc przy początku ochłodzenia stężenie tego gazu cieplarnianego wynosiło powiedzmy 500 ppm, to do wyjścia z zlodowacenia potrzebne będzie jego znacznie wyższe stężenie - powiedzmy 3000 ppm... Gdy już jednak ocieplający wpływ CO2 "zwycięży" lód zacznie coraz szybciej ustępować, i uruchomiona zostanie inna samonapędzająca się spirala zmian - tym razem prowadząca do gwałtownego (z perspektywy czasu geologicznego) ocieplenia...
Ponieważ wiemy, że taki ciąg przyczynowo - skutkowy kilkukrotnie wystąpił na naszej Ziemi fakt odnalezienia planety z wysoka koncentracja CO2 i jednocześnie niemal w całości zlodzonej byłby dla nas bardzo dobra wiadomością: oznaczałby istnienie życia komórkowego (na co wskazywałaby poszlaka w postaci zaburzonego usuwania CO2), aktywnego wulkanizmu i funkcjonowania klimatycznego termostatu - prowadzącego ostatecznie do długich okresów geologicznych stabilnego klimatu.
Dobrze też, by szukana przez nas planeta posiadała co najmniej jeden księżyc - stabilizujący pochylenie planety. Bez niego zmiany nachylenia planety byłyby znacznie większe, więc i zmiany klimatu częstsze i intensywniejsze.
Czy to już koniec listy szukanych podobieństw? Nie, to tylko te najważniejsze, w największym stopniu determinujące warunki, do których jesteśmy przystosowani. Możemy znaleźć w przyszłości tysiące planet podobnych do naszej Ziemi, ale różniących się drobnymi detalami. Różnice mogą być niewielkie, ale ich wpływ będzie na tyle duży, że nigdy nie znajdziemy bliźniaczki Ziemi.
