Математическое моделирование позволило определить минимальный размер планетарного космического тела, при котором атмосфера может удерживаться достаточно долго для возникновения жизни. Оказалось, существует чёткий порог: планеты радиусом, большим 0,8 радиуса Земли. Если планета меньше, она обречена быстро растерять атмосферу и остаться безжизненной.
Исследователи из Калифорнийского университета разработали модель пригодности для жизни планет, меньших, чем Земля. Она описывает, как размер космического тела влияет на возможность сохранения на нём атмосферы. Они рассмотрели планеты радиусами от 0,5 до 1 земного и проследили, как долго такая планета может сохранять газовую оболочку. Разработанная расчётная схема получила название STEHM (Smaller Than Earth Habitability Model). Приведённая её блок-диаграмма даёт представление о настроечных параметрах математического моделирования, в частности, начальном содержании углекислого газа, способности недр генерировать радиогенное тепло, тектоники плит и т. д. Результаты показывают чёткую «границу возможного» — порог между 0,7 и 0,8 радиуса Земли. Не вдаваясь в подробности, можно выделить несколько факторов, определяющих этот результат.
Первое ограничение просто предвидеть: чем меньше планета, тем слабее гравитация на поверхности. Частицы атмосферы, имеющие большую скорость, убегают в космос, и порог (минимальная скорость утечки) как раз определяется силой притяжения вблизи поверхности. Здесь легко увидеть вторую космическую скорость (для Земли это примерно 11 км/сек), а механизм постепенной утери атмосферы по этому сценарию называется термальной диссипацией, или механизмом утечки Джинса.
Второе ограничение не такое очевидное — это охлаждение недр планеты. Чем она меньше, тем быстрее происходит этот процесс, потому что растёт соотношение площади к объёму, или относительная площадь поверхности. Объяснение без физики — горячая картошина остывает тем быстрее, чем она меньше. Поэтому у маленьких планет тепло быстрее рассеивается, и внешняя каменная оболочка — литосфера — становится толще, блокируя вулканы. Если нет вулканической активности, то исчезает основной механизм восполнения газовой оболочки, или дегазация мантии.
Планеты с радиусом, меньшим 0,7 земного, неминуемо теряют атмосферу под действием ультрафиолетового и рентгеновского излучения звезды. Так, планета радиусом 0,6 от земного удержит газовую оболочку 400 миллионов лет, а с радиусом 0,5 радиуса Земли — только 30 миллионов лет, то есть процесс утери атмосферы с уменьшением радиуса ускоряется экспоненциально. В то же время планеты с радиусами, большими 0,8 земного, способны сохранять атмосферу миллиарды лет.
Маленькая планета может обмануть этот сценарий в трёх редких случаях. Во-первых, если она обладает большим начальным запасом углерода, он может поддерживать мощную атмосферу — молекулы CO2 тяжёлые и лучше сопротивляются термальному рассеиванию. Во-вторых, если на планете почти отсутствует ядро, такое тело в основном состоит из мантии и поэтому имеет больший ресурс вулканизма. И, наконец, «холодный старт» планеты: недра разогреваются медленно, атмосфера формируется постепенно. В этом случае материнская звезда успевает остыть и ослабить своё жёсткое излучение раньше, чем газовая оболочка станет чувствительной к нему. Но эти три сценария весьма экзотичны.
Отдельно необходимо сказать про тектонику плит на планете. Так, она является характеристической чертой Земли и (почти) отсутствует на Марсе. Роль перемещающихся литосферных плит в кругообороте атмосферы и формировании жизни давно очевидна «земным» геологам. Вкратце — движение литосферных плит (плейт-тектоника) позволяет утилизировать лишний углекислый газ, «загоняя» его обратно в мантию. Подробнее про это можно прочитать в большой статье о землетрясениях и тектонике (часть 1; часть 2). В таком случае поддерживается необходимый баланс CO2. Например, моделирование с неподвижными плитами (без плейт-тектоники) для планеты размером с Землю даёт результат, который землянам бы не понравился: углекислая атмосфера сохранится, но давление при этом станет 126 атмосфер. И такая планета по-прежнему будет необитаемой, только уже по другой причине. Впрочем, у нас над головой два примера, демонстрирующих эти две крайности — Марс, растерявший атмосферу, и Венера, где её слишком много для жизни.
Итак, правило для поиска внеземной жизни вырисовывается простое: необходимо сосредоточиться на экзопланетах с радиусами от 0,8 земного и больше. Напомним при случае, что радиус Земли, впервые измеренный ещё древними греками, составляет 6400 км. Всё, что меньше этой границы, с высокой вероятностью представляет собой безвоздушную скалу.