Elinkelpoinen planeetta
Elinkelpoisena planeettana pidetään planeettaa, jolla voi esiintyä jonkinlaista elämää. Kapeamman määritelmän mukaan elinkelpoinen planeetta tarkoittaa Maata muistuttavaa planeettaa, jossa voisi elää edes osa Maapallon asutuksesta. Muihin yhdisteisiin, kuin hiiliyhdisteisiin ja veteen perustuva vaihtoehtoinen biokemia, saattaisi mahdollistaa elämän monentyyppisillä taivaankappaleilla. Kaikki elinkelpoiset planeetat eivät tällöin olisi suoraan ihmisen asutettavissa. Vaihtoehtoisella biokemialla eläviä eliöitä ei kuitenkaan ole toistaiseksi löydetty.
Ihmiselle soveltuvaa Maata muistuttavaa planeettaa kutsutaan tarkemmin asuinkelpoiseksi planeetaksi. Meidän tuntemamme elämä vaatii muun muassa hiiltä, vetyä, happea, typpeä, rikkiä ja fosforia. Vety ja happi muodostavat vettä. Elinkelpoinen planeetta määritelläänkin usein planeetaksi, jonka pinnalla voi esiintyä pitkiä aikoja nestemäistä vettä.
Jotkut planeetat ovat varmasti elinkelvottomia. Kuun ja Merkuriuksen kokoisella kappaleella ei ole kunnollista kaasukehää. Jos planeetan massa on alle 0,07 Maan massaa, se on varmasti elinkelvoton. Jos planeetan lämpötila on 374 °C, ei vettä enää ole nesteenä. Yli 10 Maan massainen planeetta lienee myrkyllinen vety-ilmakehältään, tai sen vetyvaippa on nestemäinen ja se on elämälle soveltumaton jättiläisplaneetta.
Asuinkelpoinen planeetta on elämälle soveltuva planeetta, jolla ihminen voi asua. Maa on ainoa asuinkelpoinen planeetta meidän aurinkokunnassamme, eikä löydettyjen eksoplaneettojen joukosta ole tähän mennessä todettu yhtäkään todistettavasti ihmisasutukseen sopivaa planeettaa.
Planeetan pinnan keskilämpötilan olisi oltava veden jäätymispisteen ja 30 asteen välillä. Kaasukehän pitäisi olla ihmisille hengityskelpoinen. Ilmanpaineen olisi oltava 0,35–2,6 atm, painovoima päästää heliumin pakoon, mutta pitää typen. Pinnalla on oltava sekä jää- että vesialueita.
Elinkelpoinen Maata läheisesti muistuttava planeetta vaatii keskustähden, joka pysyy vakaana vähintään 2,7 miljardia vuotta. Jos aurinko olisi hyvin epävakaa ja sen kirkkaus vaihtelisi, planeetta vuoroin paistuisi ja vuoroin pakastuisi. Varmasti elinkelpoisena pidetään Maata muistuttavaa planeettaa, joka on suunnilleen samalla etäisyydellä keskustähdestään kuin Maa. Sen massan on karkeasti ottaen oltava sama kuin Maan (0,4-2,35 maan massaa) Päivän pituuden olisi oltava korkeintaan 96 tuntia, ettei lämpötila putoaisi liikaa yön aikana.
Michael Hartin vuonna 1979 julkaiseman hyvin pessimistisen tutkimuksen mukaan Maata muistuttava planeetta voisi olla elinkelpoinen suunnilleen etäisyydellä 0,95–1,01 AU. Kauempana Auringosta Maa saattaisi jäätyä lumipalloksi. Alle 0,95 AU:n päässä Auringosta Maan ilmakehään haihtuisi kasvihuonekaasuiksi vesihöyryä, joka käynnistäisi Maan kuumenemisen karkaavan kasvihuoneilmiön takia. Ensin vesi höyrystyisi ilmakehään ja haihtuisi avaruuteen, kuntropopaussin lämpötilainversio olisi heikentynyt tai poissa ja päästäisi vesihöyryn avaruuteen. Sitä ennen yhteyttäminen häviäisi. Tämän jälkeen tulivuoret sylkisivät hiilidioksidia ilmakehään, ja Maa kuumenisi Venuksen kaltaiseksi pätsiksi.
Esimerkiksi Venus on liian lähellä Aurinkoa, ja planeetan lämpötilaa kohottaa merkittävästi voimakas kasvihuoneilmiö. Marsissa lämpötila on yleensä liian alhainen elämälle ja planeetan painovoima on pieni, minkä vuoksi paksu kaasukehä karkaisi sieltä pois. Planeetalla on oltava huomattavia määriä happea ja vettä sekä mieluiten melko vakaa, kiinteä kuori. Lisäksi planeetalla on oltava magneettikenttä ja laattatektoniikka, joka kierrättää hiilidioksidia sitomalla sitä kiveen.
Erään määritelmän mukaan ihmiselle elinkelpoisella planeetalla ainakin 10%:lla pinnasta keskilämpötila on välillä 10-30 °C ja muilla alueilla keskilämpötila on aina välillä -10-40 °C. Elämä kukoistaa parhaiten yleensä 25-35 asteessa.
Maassa on pääosin niin viileää ja toisaalta lämmintä, että elämä sietää sen lämpötiloja. Lämpötila vaihtelee Maassa vuorokaudenajasta, päivästä, vuodesta sekä leveys- ja pituusasteista riippuen melkoisesti. Maan keskimääräinen pintalämpötila on noin 15 °C, vaikka joskus esiintyy jopa 45 °C helteitä Saharan aavikoilla ja jopa -82 °C pakkasia Etelämantereella. Maassa vesi voi esiintyä nestemäisenä eikä se jäädy laajoilla alueilla. Täysin jäättömän maan ja viime jääkauden tapaisen jääkausitilan ero on keskilämpötilassa 10 °C. Jos keskilämpötila olisi noin -15 - -60 °C astetta, Maa jäätyisi kokonaa. Toisaalta +40 - +45 °C keskilämpötila olisi elämälle merkittävän haitallista.
40 °C:ssä kasvit kuolevat maalta ja 45 °C solujen mitokondrioiden toiminta heikkenee. Lämpötilassa 50 °C lähes kaikki monisoluinen elämä on mahdoton maalla, mutta sitä voi olla merissä, esim. sukkulamatoja ja laakamatoja. 70 °C:ssä maalla elää vain bakteereja ja merissä joitain monisoluisia eliöitä. Kuumissa lähteissä tiedetään elävän joitain yksisoluisia bakteereja ja arkkieliöitä jopa +125 °C:n lämpötilassa.
Jos meren lämpötila on alle 12 °C, merieliöitä on vähän niin kuin suurimmassa osassa eli 80%:ssa maapallon meriä. Yli 10 asteen lämpötilassa meriin muodostuu kerros, joka estää ravinteiden kierron ja levien eläminen meriveden pinnassa. Levien ihannelämpötila on 10 °C. Puut vaativat yli 10 asteen kesälämpötiloja ja niiden ihannelämpötila on 20 °C. Kameli voi elää autiomassa jopa 40 °C ruumiinlämpöisenä. Ihmisen ruumiinlämpö on yleensä 36-39 °C, mutta voi olla hetkellisesti 34-41 °C. Lätäköt kuivuvat nopeasti jos lämpötila on yli 25 °C, mikä vastaa hellerajaa.
Jäkälä kasvaa, lisääntyy ja viihtyy vielä -24 °C:n lämpötilassa ja varastoituu itiöksi -100 °C:n lämpötilaan.
Maan pintalämpötilan arvellaan joskus liitukaudella olleen 21-30 °C asteen luokkaa, jääkaudella ehkä 5-9 °C astetta. Erään arvion mukaan prekambrikaudella 3,8 miljardia vuotta sitten keskilämpötila maan pinnalla oli 80 °C, 3,0 miljardia vuotta sitten 70 °C, 2,0 miljardia vuotta sitten 60 °C ja 1,5 miljardia vuotta sitten 40 °C. Maata uskotaan alkuaikoina lämmittäneen hiilidioksidin ja metaanin luoma kasvihuoneilmiö.
Maan tyyppistä elämää ylläpitävällä planeetalla on oltava kaasukehä, jonka hapen osapaineen on oltava sopivissa rajoissa ja jossa vesi pysyy nesteenä. Planeetan kaasukehässä on oltava happea, typpeä ja hiilidioksidia.
Happi on välttämätön eläimille, mutta kasveille ja monille mikrobeille se on pikemminkin haitallista. Kun elämä maapallolla syntyi, ei ilmakehässä ollut vapaata happea. Kun fotosynteesiin kykenevät syanobakteerit ja kasvit ilmestyivät maapallolle, alkoi ilmakehän happipitoisuus kasvaa, jolloin happea käyttävät kuluttajat, kuten eläimet, pääsivät kehittymään.
Typpi estää liian nopeaa hapettumista ja hiilidioksidi on kasvien yhteyttämiselle välttämätön.
Eräiden arvioiden mukaan 10 ilmakehän painetta suurempi paine on eliöille huono asia.
Jos planeetta on maata huomattavasti kevyempi, happi karkaa pois sitä helpommin, mitä lämpimämpi planeetta on. Toisaalta liian massiivisessa planeetassa voi olla hyvin tiheä kaasukehä, joka on jättiläisplaneettojen tapauksessa muuttunut alaosaltaan valtavaksi vety- ja helium-mereksi. Toisaalta raskaan planeetan ilmakehässä voi olla myrkyllisiä kaasuja. Suunnilleen 1,5 maan säteinen/4 Maan massainen terrestrinen planeetta pidättelee maata vastaavalla etäisyydellä vetyä kaasukehässään pitkiä aikoja. Vedyn täytyisi päästä karkaamaan planeetan pinnalta,
jotta planeetta olis elinkelpoinen.
Eräiden laskelmien mukaan enin vety ja helium karkaavat pois, jos planeetan säde on luokkaa 0,8-1,15 Maan sädettä, jos planeetan yleinen koostumus vastaa maata.
Teoriassa happi ja typpi pysyisivät 0,12 tai jopa 0,07 Maan massaisen planeetan pinnalla.
Kaasunpaine vaikuttaa myös kaasumaisten aineiden sulamis- ja kiehumispisteisiin, nämä taas planeetan ilmastoon ja lämpötilaan. Kaasunpaine riippuu planeetan ilmakehässä olevan kaasun määrästä, pakonopeudesta ja lämpötilasta. Ihminen vaatii noin 500 mbar paineen eli puolen ilmakehän paineen, joka vastaa 5-6 kilometrin korkeutta Maassa. Syvämeren kalojen tiedetään kestävän hyvin suuria, satojen ilmakehien paineita.
Hengityskelpoinen ilma sisältää hiilidioksidia alle 10 mbar osapaineen verran, typpeä yli 300 mbar ja happea 130-300 mbar. Jos planeetan ilmakehässä olisi hiilidioksidia 10% nykyisen Maan ilmakehän 0,04%:n sijasta, se vaatisi hengityskoneistolta ainakin 10 kertaa nykyistä suurempaa tehoa. Kasvit tarvitsevat hiilidioksidin osapaineen yli 10,15 mbar, typen 1-10 ja hapen > 1 mbar.
Liiallisessa happimäärässä materiaalit syttyvät itsestään, toisaalta liian vähäisessä happipitoisuudessa jotkin eläimet eivät voisi hengittää. Jos happea on ilmakehässä noin 35%, tulipalot ovat yhtä yleisiä ja tuhoisia kuin puhtaassa hapessa.
Nestemäinen vesi vaatii 6,08 hPa:n eli 0,006 Maan ilmakehän paineen pysyäkseen nesteenä. Alhaisissa paineissa vesi pysyy nesteenä pienemmällä lämpötila-alueella nesteenä kuin Maan ilmakehän paineessa.
Elinkelpoisella planeetalla on oltava kosmiselta hiukkassäteilyltä suojaava magneettikenttä. Magneettikentän syntyminen edellyttää runsaasti radioaktiivisia aineita planeetan sisustassa, koska magneettikenttä syntyy radioaktiivisuuden lämmityksestä johtuvissa virtauksissa Maan sisällä. Planeetan on pyörittävä nopeasti jotta magneettikentän synnyttävä dynamo toimisi. Esimerkiksi Venuksella ei ole voimakasta, suojaavaa magneettikenttää.
Planeetalla on oltava mannerliikuntoja eli laattatektoniikkaa, joka on osa elämään liittyvää karbonaattisykliä ja joka vaatii eräiden arvioiden mukaan 0,23 Maan massaisen planeetan. Mannerliikunnat vaativat planeetalta mahdollisesti nopeaa pyörimistä ja riittävän suurta kokoa. Mannerliikunnat saavat voimansa sisäisestä lämmöstä, jonka on säilyttävä Aurinkokunnan iän eli 4,5 miljardia vuotta. Tämä vaatii 0,23 Maan massaista planeettaa eli noin 2 kertaa Marsin massaista planeettaa. 0,3 Maan massaa on välttämätön, jos tektonisen aktiivisuuden on jatkuttava 5 miljardia vuotta.
Marsissa on ollut jonkinlaista geologista liikehtimistä, mutta se on pysähtynyt melkein alkuunsa. Mannerliikunnat auttavat sitomaan hiilidioksidia ja myrkyllisiä kaasuja koska ne kierrättävät kalkkikiveä johon kaasu sitoutuu. Vesi on mannerliikuntojen edellytys: vesi muuttaa merellistä laattaa raskaammaksi imeytyessään ohueen basalttilaattaan ja muodostaessaan raskaita hydraatteja kiveen. Näin laatta painuu helpommin mantereen alla. Tulivuorenpurkaukset vapauttavat hiilidioksidia.
Varsinkin alkeellinen elämä sietää äärioloja. Jotkut bakteerit kestävät 113 °C:n lämpötilan, yli 100 °C pakkasta ja 1000 ilmakehän paineen. Tiedetään että elämän rakenneosaset hajoavat peruuttamattomasti 125 °C:ssa. Halofiilibakteeri elää 33%:ssa suolaliuoksessa. Mikrobit sietävät hyvin emäksistä ja hapanta, pH-aluetta 1 - 13.
Elämää tiedetään Maassa olevan hyvinkin erilaisissa olosuhteissa, kuten valtamerten syvimmissä syvänteissä, kuumissa lähteissä ja syvällä maassa kiven sisässä bakteereina. Tuoreen havainnon mukaan Etelämantereen jääkenttien alta on löytynyt miljoonia vuosia eristyksessä olleita suolavesipusseja, joista on löydetty mikroskooppista elämää. Näissä oloissa ei ole lainkaan vapaata happea.
Planeetan radan olisi oltava vakaa ja mieluiten ympyrämäinen. Aurinkokunnassamme planeettojen ratojen väliset resonanssit tekevät siitä vakaan. Kaksoistähtijärjestelmässä raskas tähti saattaa muuttaa planeettojen radat epävakaaksi, jos se tulee kiertoradallaan liian lähelle planeettoja. Vakaita ratoja tiedetään löytyneistä eksoplaneetoista olevan myös moninkertaisten tähtien ympärillä.
Maan radan soikeus ei aiheuta vuodenaikojen vaihteluja, vaan sen akselikallistuma. Jos Maan rata olisi kovin soikea, planeetallamme olisi pitkin vuotta vuoroin liian kuuma tai liian kylmä. Jos Maan radan soikeus olisi e=0,2, sen aiheuttama vaihtelu lämpötilassa olisi sama kuin Maan akselikallistuman luomat vuodenaikojen vaihtelut. Jos Maan radan soikeus e olisi 0,3, niin maan lämpötila nousisi nykyisestä 14,4 °C:stä 22,8 °C:een. Niinpä soikeilla radoilla kiertävien planeettojen on oltava keskustähdestään keskimäärin kauempana kuin Maan. Suurempi soikeus e=0,4 nostaisi lämpötilan joillain mantereilla ajoittain sietämättömän kuumaksi. Jos soikeus olisi suuri e=0,7, Maa vaeltaisi ratakierroksensa aikana välillä 0,3-1,7 AU, eli Merkuriuksen radan sisäpuolella, Marsin radan ulkopuolella. Silloin Auringon säteilytehon tulisi pienentyä 71%:iin. Silloinkin Maan lämpötila nousisi keskileveysasteilla 60 °C:een. Soikeiden ratojen tiedetään olevan pyöreitä huomattavasti epävakaampia ja planeetat voisivat karata niistä helpommin muiden tähtien vetovoiman takia.
Jos Maan pyörähdysaika olisi lukkiutunut samaksi kuin kiertoaika Auringon ympäri, ilmakehä saattaisi jäätyä Maan toiselle, pimeälle puolelle. On usein väitetty, että jos Kuu ei vakauttaisi Maan pyörimistä, Maan akselin holtiton kieppuminen miljardissa vuodessa n. 85 tekisi Maasta elinkelvottoman. Uusien laskelmien mukaan ilman Kuuta Maan radan akseli vaihtelisi miljoonassa vuodessa 10-20 astetta. Ilman kuuta vaihtelu miljardissa vuodessa olisi 20-30 astetta. Kuullisella Maalla vaihtelu miljoonassa vuodessa on noin 2,4 astetta.
Aurinko saattaisi olla kuuttomalla Maalla muutaman kymmenen tuhannen vuoden välein pohjoisnavan yllä. Eräiden mukaan Maa saattaisi silloin helpommin jäätyä lumen ja jään peittämäksi palloksi. Jotkut sanovat että näin tapahtuisi vain, jos olisi yksi suuri supermanner. Soikealla radalla kiertävän planeetan olisi kyettävä pitämään ilmakehänsä myös ollessaan lähimpänä keskustähteään. Kaukana keskustähdestä oleva planeetta voisi olla elinkelpoinen sen ytimessä olevien radioaktiivisten aineiden lämmittämänä. Nuoren planeetan hajoaminen voi tapahtua viisi kertaa nopeammin kuin Maassa nyt.
Punaisilla kääpiötähdillä ja myöhäisillä K-tähdillä planeetta kääntää aina saman puolen kohti keskustähteään, koska se on keskustähden vetovoiman takia vuorovesilukkiutunut. Tällöin planeetan toinen puoli paistuu Auringossa ja toinen pakastuu. Elämää voisi olla planeetan valon ja varjon rajan lähistöillä Auringon puolella rengasmaisella vyöhykkeellä. Vielä pahempaa olisi planeetan merien jäätyminen hyvin kylmälle yöpuolelle, samoin kuin planeetan kaasukehän jäätyminen.
Mutta suuret meret, kaasukehän kaasut ja pilvet tasaavat tehokkaasti pallonpuoliskojen lämpötilaeroja. Tutkimusten mukaan 1-1,5 bar hiilidioksidimäärä riittäisi tasaamaan planeetan lämpötilaa ja 30 mbar hiilidioksidi-ilmakehä pysyisi jäätymättä. . Toisten tietojan mukaan 10% vesimäärä ja/tai 100 mbar ilmakehän paine riittäisi. Tällöin vain melko kuivat planeetat jäätyisvät yöpuoleltaan. Amerikkalaisen tutkijan Dolen mukaan elämä vaatii alle 96 tunnin pyörähdysaikaa.
Jupiterin tapaiset jättiläiskaasuplaneetat, jotka kiertävät tähteä ympyräradalla tarpeeksi kaukana elinkelpoisesta ekosfäärivyöhykkeestä etteivät häiritse sitä, mutta kyllin lähellä ”suojellakseen” sisempiä planeettoja, ovat kahdella tavalla tärkeitä elinkelpoisille planeetoille. Ensinnäkin ne auttavat vakaannuttamaan sisempien planeettojen kiertoratoja ja sitä kautta ilmastoa, toiseksi ne pitävät sisemmät planeetat suhteellisen suojassa komeetoilta ja asteroideilta, jotka saattaisivat aiheuttaa elämän kannalta kohtalokkaita törmäyksiä. Jupiter kiertää Aurinkoa suunnilleen kuusi kertaa Maata kauempana, mitä voi pitää sopivana etäisyytenä jättiplaneetoille muissakin aurinkokunnissa. Jos Jupiter on 2-5 AU:n päässä, planeettakunnassa on enemmän planeettoja.
Aurinkokuntamme varhaishistoriassa Jupiterilla oli jossain määrin vastakkainen rooli: se lisäsi asteroidivyön kappaleiden kiertoradan epävakautta saaden monet niistä törmäämään Maahan lisäten siten planeetan koostumukselle tärkeitten rakennusaineitten määrää. Ennen kuin Maa oli saavuttanut puolet nykyisestä massastaan, Jupiterin-Saturnuksen alueen ja asteroidivyön jääkasaumat toimittivat Maahan vettä suistuttuaan radoiltaan Jupiterin ja vähäisemmässä määrin Saturnuksen vaikutuksesta. Joten vaikka kaasujättiläiset ovat nyt hyödyllisiä suojelijoita, ne aikaisemmin auttoivat Maata saamaan elämän synnylle tärkeitä rakennusaineita. Soikeilla radoilla kiertävät jupiterit luovat epävakaita kiertoratoja ja heikentävät planeettojen elinkelpoisuutta. Nykyään on tehty tutkimuksia, joiden mukaan Jupiterin olemassaololla tai sijainnilla ei oliskaan käytännössä niin suurta merkitystä kuin olisi tähän asti luultu.
Tieteiskirjailijat ja jotkut tutkijatkin ovat esitelleet ajatuksen, että teknologian ja tieteen kehittyessä voitaisiin esimerkiksi naapuriplaneettoja Marsia ja Venusta koettaa muuttaa Maan kaltaiseksi. Tutkijat eivät ole täysin varmoja, voidaanko esimerkiksi Mars maankaltaistaa, ja he kiistelevät myös siitä, miten eettistä on tuhota aurinkokunnan alkuperäinen luonto.
Jos planeetta asutetaan tai sinne tuodaan bakteereita muualta, sen ominaisuuksien ei tarvitse olla täsmälleen Maan ominaisuuksia vastaavia kuten planeetoilla, joilla elämä kehittyy Maan tapaan. Asutuskelpoinen planeetta on maankaltainen planeetta, jonka massa on yli 0,4 Maan massaa ja ilmanpaine alle 0,05–8 atm. Planeetan pintalämpötilan olisi oltava yli -45 °C. Planeetan etäisyys Auringon tyyppisestä keskustähdestä saattaisi olla 0,65–1,35 AU. Tällaisen planeetan saattaisi jokin muualta tullut sivilisaatio helpostikin asuttaa.