Не так давно уважаемый @SLY_G опубликовал на Хабре перевод интересной статьи «Когда во Вселенной впервые появились континенты». Ссылаясь на исследования и модели Джейн Гривз из Школы физики и астрономии Кардиффского университета в Уэльсе, автор статьи (Эван Гоф) рассуждает о том, каким образом может быть связана потенциальная обитаемость экзопланеты и наличие континентов на ней. Также в этой статье (и в работе Гривз) выдвигаются предположения, каков может быть возраст древнейших континентов во Вселенной, и какова вероятность образования континентов на планете в зависимости от того, в какой области галактического диска сформировалась звёздная система. Эта тема, нелестно и незаслуженно охарактеризованная одним комментатором как «гадание на кофейной гуще», возвращает меня ко многим другим темам, которые я уже рассматривал на Хабре. В частности, я писал о планетах в приливном захвате, о том, как всё сложно у Венеры с тектоническими процессами, а также о том, по каким причинам могла существовать Земля-снежок. Статья @SLY_G выносит эту проблему на уровень целой галактики и заставляет задуматься о том, какова роль континентов в формировании климата, экологических ниш и, в конечном итоге, жизнепригодности далёких планет. Оговорюсь, что современные телескопы не позволяют различать континенты на поверхности скалистых планет, поэтому все описанные далее исследования и возможные закономерности пока являются ориентировочными экстраполяциями.  С тех пор (начало 2010-х) как количество достоверно обнаруженных экзопланет стало исчисляться сотнями, а затем и тысячами, нас наиболее интересуют те из них, что находятся в зоне обитаемости. Это область, удалённая от родительской звезды настолько, что на скалистых планетах или спутниках планет‑гигантов в этой области вода может существовать в жидком состоянии. Естественно, ширина и локализация этой зоны будут отличаться в зависимости от спектрального класса звезды: Оценка жизнепригодности планеты и всей системы, в которой она находится, традиционно ставится в зависимость от того, есть ли на планете условия для существования жидкой воды, а также есть ли стабильное магнитное поле. В этом отношении мы ориентируемся прежде всего на вероятные причины безжизненности Марса и Венеры — планет, расположенных на ближней и дальней периферии в зоне обитаемости нашей системы. Вероятно, именно из‑за потери магнитного поля и остановки геомагнитного динамо Марс постепенно потерял большую часть атмосферы, а Венера могла свалиться в ловушку влажной стратосферы из‑за чудовищного парникового эффекта. Фактически, климатологи различают кризисную ситуацию «влажная стратосфера» (moist stratosphere) и катастрофическую «взрывной парниковый эффект» (runaway greenhouse). В первом случае вода постепенно покидает тропосферу и концентрируется в стратосфере, а там распадается на кислород и водород в процессе фотолиза. Во втором случае приповерхностная температура выходит на уровень, при котором океаны неконтролируемо испаряются. Именно влажная стратосфера может давать ложноположительный результат при поиске обитаемых экзопланет — верхние слои атмосферы на умирающей или безжизненной планете будут богаты кислородом. Внешняя граница зоны обитаемости традиционно проводится там, где углекислый газ может выпадать на поверхности планеты в виде сухого льда. По‑видимому, сильный парниковый эффект на холодной планете может немного отодвигать границу зоны обитаемости. В настоящее время ведутся исследования и строятся компьютерные модели, призванные уточнить, какие ещё летучие вещества могут поспособствовать парниковому эффекту на холодных землеподобных планетах, в частности, на Глизе 518g и Проксима Центавра b. В настоящее время представляется, что немного подогреть планету или спутник всё‑таки проще, чем «немного остудить». Вероятно, основным механизмом для сброса избыточного тепла на скалистых планетах является вулканизм, а вулканизм земного типа обусловлен тектоникой плит. Ни на одном небесном теле, кроме Земли, тектоника литосферных плит пока не обнаружена, а непрерывный вулканизм на спутнике Юпитера Ио обусловлен приливными взаимодействиями с Юпитером и к потенциально обитаемой планете вряд ли применим. Литосферные плиты лежат в основе континентов и Тихого Океана. Давайте кратко затронем, как же на Земле появились континенты.  Согласно исследованию, проведённому в 2021 году в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, первые земные континенты (кратоны) поднялись из океана между 3,3 и 3,2 млрд лет назад. На современной карте мира эти реликтовые участки земной коры расположились примерно так: Это исследование значительно состаривает земные континенты: ранее считалось, что они возникли не ранее 2,5 миллиарда лет назад. Кратоны сформировались из горячей расплавленной породы мантийного происхождения, вырывавшейся и просачивавшейся через очень тонкую земную кору наверх. При этом потоки породы насыщались сравнительно лёгкими минералами, содержащими кремний и магний, а более тяжёлые элементы концентрировались в мантии. Именно поэтому существует гипотеза, что основные запасы тория и урана не только остались ниже земной коры, но и могли сконцентрироваться в компактные «зёрна» в процессе перемешивания мантийных пород, вплоть до возникновения критической массы и геореакторов. Так устроена литосфера Земли, согласно современным представлениям. Поскольку верхняя мантия (с учётом давления) находится в жидком или полужидком состоянии, земная кора должна обладать плавучестью и прочностью одновременно. Вероятно, кратон всплывал и формировался примерно так: Эту гипотезу впервые выдвинул около 1975 года Томас Джордан, но проверить её долгое время не удавалось, так как у нас практически нет доступа к образцам с большой глубины. Однако в 1999 году было опубликовано исследование, согласно которому одной плавучести недостаточно. Чтобы кратон успел затвердеть и закрепиться в виде литосферной плиты, слагающие его породы должны иметь значительную вязкость, иначе тектоника юной планеты его разорвёт.  Вязкость вещества — это физическая величина, обратная текучести. В вышеупомянутом исследовании указано, что вещество кратонов должно было оставаться лёгким, но при этом обладать очень высокой вязкостью. Так, вязкость воды составляет примерно 10−2 паскаль‑секунд, вязкость мёда — около 10 паскаль‑секунд, а вязкость ледника может доходить до 1012 (1 триллиона) паскаль‑секунд. По приблизительным оценкам, вязкость верхней мантии, окружавшей кратоны, составляла около 1021 паскаль‑секунд. В свою очередь, согласно этому исследованию 2020 года, вязкость самих кратонов должна была в 100–1000 раз (как минимум) превышать вязкость мантии, чтобы кратоны не распадались.  Здесь мы возвращаемся к вероятному составу коры скалистых планет, который можно проанализировать по загрязнению звёзд (прежде всего, белых карликов) обломками сгоревших планет. В этой статье 2021 года предполагается, что стабильные континенты с нужной вязкостью могут образоваться только на тех планетах, где в достаточном количестве присутствуют кремний, алюминий и магний, вернее, их соединения с кислородом: оксиды, гидроксиды, кристаллогидраты. Эти данные коррелируют и с выводами Гривз о том, что чем выше металличность звезды (и, соответственно, протопланетного облака, из которого возникла и сама звезда, и все её планеты), тем раньше на скалистых планетах могли образоваться континенты.  В современной земной литосфере происходят конвекционные процессы, в ходе которых горячее вещество из глубин мантии поднимается ближе к земной коре, а сравнительно холодный материал из верхних слоёв «тонет» в мантии (см. слева). Если эти процессы протекают под сплошной корой, в которой нет вулканов, разломов и рифтов, как на Марсе или Венере, то формируется тектоника «запертой крышки» (stagnant lid), при которой тепло может покидать литосферу в лучшем случае через немногочисленные трещины (справа). Но на Земле уже в самой ранней истории планеты «запертая крышка» сменилась литосферными плитами (слева). Возможно, благодаря именно этому на Земле и возникла жизнь.  Тектоника плит принципиально важна как с точки зрения терморегуляции, так и для сохранения геомагнитного динамо, защищающего планету от солнечного ветра. Согласно некоторым оценкам, жизнь в океане успела зародиться ещё до того, как началась тектоника плит, но вышеизложенные факты подсказывают, что (потенциально) обитаемая планета должна обладать тектоникой плит.  Джин Гривз разработала метод, позволяющий выявлять планеты с экзоконтинентами, оценивая, каков потенциал планеты для развития тектоники плит. В данном случае важно, насколько активно вырабатывается тепло в ядре планеты (на Земле этот механизм уже хорошо изучен). Предполагается, что ядро подогревается в результате деления радиоактивных ядер, прежде всего, урана-239, тория-232 и калия-40. Эти изотопы образуются при взрывах нейтронных звёзд — то есть протопланетное облако должно сформироваться после такого взрыва или быть засоренным остатками нейтронной звезды. Химический состав протопланетного облака можно оценить по содержанию примесей в фотосфере звезды. По‑видимому, вероятность обнаружить тектонику плит будет выше на планетах, обращающихся в системах звёзд с высокой металличностью. Вероятность будет ещё выше, если в спектре звёзд обнаруживаются следы алюминия, кремния и магния.  В 2021 году была обнаружена первая экзопланета, на которой, исходя из вышеописанных признаков, может идти глобальная тектоника плит. Это LHS 3844b, расположенная в 48,5 световых годах от Земли. Данные об этой планете изучала группа под руководством Тобиаса Майера из Центра по изучению космоса и обитаемости (CSH) при Бернском университете. Планета обращается вокруг красного карлика в созвездии Индейца. По‑видимому, полноценная атмосфера на этой планете отсутствует, поэтому можно фиксировать непрерывные извержения вулканов. Орбита планеты пролегает так близко от звезды, что этот мир с высокой вероятностью находится в приливном захвате. Звезда подтягивает мантийное вещество к одному из полушарий, из‑за чего в этом полушарии постоянно извергаются вулканы. Эта планета может выглядеть примерно так:  Попытавшись смоделировать условия этой планеты при помощи компьютерных симуляций, учёные пришли к выводу, что тектоника плит на ней должна быть обусловлена не только и не столько распадом радиоактивных элементов, сколько приливным захватом. Из‑за того, что одно из полушарий планеты постоянно обращено к звезде, перепад температур составляет от +800 °C на дневной стороне и -250 °C на ночной, вязкость мантии под дневной стороной гораздо ниже, чем под ночной. По‑видимому, именно этим и обусловлен активный вулканизм. С одной стороны, эту находку можно считать «ложноположительной» (планета максимально непригодна для обитания). Но с другой стороны, этот пример подсказывает, что приливный захват может способствовать тектонике плит, вулканизму и перемешиванию мантии — соответственно, способствовать возникновению жизни, если условия на планете окажутся более мягкими, чем на LHS 3844b.   Если планета находится в приливном захвате у очень холодной звезды, и температуры на этой планете допускают существование жидкого океана на дневной стороне и вечных льдов на ночной, то важнейшим терморегулятором и источником тектоники плит на такой планете мог бы быть подзвёздный континент. Он бы серьёзно повлиял на циркуляцию водяного пара и углекислого газа в атмосфере, а также (по аналогии с ситуацией на LHS 3844b) отличался бы выраженным вулканизмом. В таком случае инсоляции подвергалась бы преимущественно суша, а океан оставался бы частично безлёдным, но сам климат не переходил бы в состояние влажной стратосферы. Перенос тепла в таких условиях должен происходить в меридиональном направлении. При атмосферном давлении близком к земному большая часть влаги оставалась бы заключена в океане, а не в атмосфере. В результате вулканической активности континент мог бы расколоться на несколько литосферных плит, между которыми пролегают узкие и тёплые моря наподобие Красного моря на Земле. При этом сама суша могла бы лежать у тёплого полюса, примерно так, как на Земле располагается Антарктида. Хотя в настоящее время мы не можем различать отдельные континенты на поверхности экзопланет, планета с описанным соотношением суши и воды выделялась бы быстро меняющейся облачностью над подзвёздным континентом; кроме того, там было бы очень ветрено. Отражательная способность облаков также гораздо выше, чем у глубокой воды, а отражательная способность льда и облаков примерно сопоставимы. Поэтому, если бы удалось встретить на дневной стороне планеты в приливном захвате область с высоким, но варьирующимся альбедо, а сама температура планеты находилась бы существенно выше точки замерзания воды, то по этим косвенным признакам вполне можно было бы обнаружить подзвёздный континент, с высокой вероятностью обладающий вулканизмом и тектоникой плит.  Остаётся открытым вопрос об оптимальном соотношении суши и воды на экзопланете, чтобы эта планета могла считаться жизнепригодной. В одной из недавних публикаций я рассматривал класс планет‑гикеанов, которые, несмотря на огромное содержание воды и высокое атмосферное давление, с огромной вероятностью являются безжизненными. Согласно современным представлениям, на Земле баланс углекислого газа в атмосфере и мягкие климатические условия поддерживаются во многом благодаря карбонатно‑силикатному циклу: активный вулканизм сочетается с постоянным связыванием избыточного CO2 в осадочных породах. Тектоника плит играет в этих процессах решающую роль, так как, с одной стороны, вулканы восполняют в атмосфере ту долю углекислого газа, который связывается в карбонатах, а с другой — субдукция и эрозия способствуют попаданию карбонатных пород в океан, откуда связанный CO2 попадает в зоны субдукции и частично возвращается в мантию. Вместе с углекислым газом таким же образом из мантии выделяется вода, которая могла составить существенную часть нынешней массы океана. Как указано в работе Хёнинга и Шпона, в современных компьютерных моделях для скалистых землеподобных планет тектоника плит не располагает к гармоничному распределению суши и воды. Формирование планетарного ландшафта зависит от трёх следующих циклов обратной связи и, в зависимости от их активности, планета окажется покрыта преимущественно сушей или преимущественно водой (многочисленными морями, которые можно считать мелкими по сравнению с запасами воды, например, на Энцеладе). Вот эти циклы, от которых зависит тектоника плит и мантийная конвекция:   Вулканизм и расплавление пород в зонах субдукции (рост континентов) и эрозия осадочных пород (разрушение континентов); Активность поступления воды из мантии, в том числе в результате извержения гейзеров, и, следовательно, нарастание или сокращение содержания водяного пара в атмосфере; Перенос тепла в мантии (конвекция), от которого, а также от толщины и целостности земной коры и от количества литосферных плит зависит температурный режим на планете. У планеты, не находящейся в приливном захвате, распад радиоактивных изотопов в мантии является единственным стабильным источником разогрева, так как инсоляция на протяжении существования системы может существенно меняться — например, пока звезда разгорается или если уже угасает. Исчерпание запаса радиоактивных изотопов, вероятно, приводит к быстрому остыванию планеты, в особенности небольшой, как Марс. Поэтому тектоника плит представляется достаточно редким геологическим сценарием. Она наиболее вероятна на планетах класса «земля» или «суперземля» в звёздах второго‑третьего поколения с относительно высокой металличностью, от которой зависит запас радиоактивных элементов в мантии, а также с высоким содержанием кремния, алюминия и магния, от которых зависит соотношение вязкости и хрупкости пород. По‑видимому, существование планет с мелкими морями, островными дугами и активным вулканизмом более вероятно, чем существование планет с относительно равномерной площадью воды и суши.  В контексте таких выкладок интересно заново взглянуть на дарвиновскую гипотезу «маленького тёплого пруда» и на гипотезу «чёрных курильщиков» как основных потенциальных источников зарождения жизни. По‑видимому, первый сценарий наиболее вероятен на планетах с островными дугами, а также на планетах в приливном захвате, где имеется крупный подзвёздный континент с активным вулканизмом. Второй сценарий вероятен на любой планете‑океане, однако он с высокой вероятностью порождает экстремофилов, которые с большим трудом могли бы проникать в холодную для них толщу океана и тем более на сушу. Маленький тёплый пруд с высоким содержанием железных и медных ионов — экосистема, практически неизбежно возникающая на планете, где есть вулканизм, а на поверхности может существовать жидкая вода (в том числе, занесённая кометами). Поэтому в будущем наибольший интерес должны представлять планеты, похожие не столько на Землю, сколько на Тихий Океан.   Переводчик, PM, автор, просветитель-любитель