На екзопланетах також може бути атмосфера, а значить, і клімат. Нещодавно науковці знайшли новий спосіб його передбачати. Вони перевірили якість своєї нової моделі на планетах системи TRAPPIST-1.
Типи кліматичних моделей
Система TRAPPIST-1, розташована приблизно за 41 світловий рік від Землі, стала центром численних дискусій про екзопланети, адже вона налічує сім підтверджених планет, які обертаються навколо тьмяної зорі-карлика класу M. Вважається, що дві з цих планет — TRAPPIST-1e та TRAPPIST-1f — перебувають у зоні придатності для життя. Однак зона придатності для життя карликових зір класу M розташована настільки близько до самої зорі, що планети, ймовірно, прив’язані до неї припливними силами, тобто мають постійну денну та нічну сторони з «сутінковим термінатором» між ними.
Опираючись на ці знання, науковці намагаються змоделювати клімат на цих двох екзопланетах. У новій статті Джейкоба Хакк-Місри з Blue Marble Space використовується новий тип кліматичної моделі, що дозволяє зробити це точно, витрачаючи набагато менше обчислювальних ресурсів.
Зазвичай у моделюванні клімату екзопланет вчені використовують складні тривимірні моделі загальної циркуляції, які чітко обчислюють такі характеристики, як радіаційне перенесення, динаміка атмосфери та інші фізичні процеси. Але всі ці обчислення є дуже витратними, що ускладнює їхнє використання у дослідженні великої кількості потенційних змінних, таких як кількість вуглекислого газу або зоряної енергії, яку може отримувати планета.
Проте існують альтернативні варіанти. Науковці також використовують моделі енергетичного балансу (EBM). Вони значно простіші, зазвичай працюють лише в одному вимірі (на відміну від трьох у GCM) й не намагаються моделювати кожну краплину дощу чи порив вітру. Натомість аналізують енергію, що надходить на планету у вигляді випромінювання материнської зорі, та енергію, яка залишає планету у вигляді випромінювання, що повертається у космос. Зрівноваження цих двох значень дає загальне уявлення про те, наскільки планета нагріється або охолоне, причому для цього потрібна набагато менша обчислювальна потужність.
Нова модифікована модель Хакк-Місри
Доктор Хакк-Місра обрав для своєї роботи конкретну модель на основі EBM — модель енергетичного балансу придатних для життя планет для спостережень за екзопланетами (HEXTOR). Однак йому довелося модифікувати її для припливно-зв’язаної планети, змінивши вісь координат з широти на довготу, щоб змоделювати безперервне перенесення енергії з «денної» сторони планети на «нічну», на відміну від традиційного перенесення енергії від екватора до полюсів на неприпливно-зв’язаній планеті. Треба зауважити що модель не прогнозує реальну погоду. Вона оцінює середній тепловий режим планети та можливі кліматичні стани. Це радше швидке кліматичне оцінювання, ніж прогноз погоди в земному розумінні.
Щоб підвищити точність своєї моделі, доктор Хакк-Місра відкалібрував її за допомогою довідкової таблиці температур поверхні, сформованої за допомогою більш обчислювально-містких глобальних кліматичних моделей (GCM) у межах проєкту «Порівняння придатних для життя атмосфер TRAPPIST-1» (THAI). Це проєкт, що керується спільнотою, який створив стандартний набір моделювань екзопланет, що допоміг узгодити деякі властивості цього цікавого набору планет. Завдяки цьому набору даних калібрування та його модифікації за довготою HEXTOR зміг успішно відтворити середню глобальну температуру 240,8 К для TRAPPIST-1e, що практично збігається з результатом, отриманим за допомогою більш складних моделей THAI GCM.
Відтворення клімату на планетах TRAPPIST-1e і TRAPPIST-1f
На основі цієї попередньої оцінки доктор Хакк-Місра повною мірою використав можливості спрощеної моделі, провівши 6300 моделювань зі зміною інтенсивності сонячного випромінювання (кількості світла, що надходить від зорі) та тиску вуглекислого газу в атмосфері планети. Він виявив, що найімовірнішим сценарієм для TRAPPIST-1e є «прохолодна» денна сторона», яка перейде у «теплу» денну сторону або стан без льоду лише у разі, якщо парціальний тиск CO2 становитиме приблизно 0,1 бара або більше. TRAPPIST-1f, з іншого боку, ймовірно, є «сніжною кулею», де навіть денна сторона повністю вкрита льодом. Щоб денна сторона була повністю вільною від льоду, тиск CO2 мав би перевищувати 1 бар — фактично перетворюючи планету на величезну теплицю.
Але насправді модель HEXTOR ніколи не була призначена для отримання кінцевого результату. Її справжня мета — визначити, яка з 6300 проведених нею симуляцій буде найцікавішою для подальшого дослідження за допомогою потужніших глобальних кліматичних моделей (GCM). Таке поєднання швидкого «розвідувального» моделювання та детального опрацювання відібраних сценаріїв може стати орієнтиром для спостережень, які проводять такі інструменти, як космічний телескоп James Webb Space Telescope. Він продовжує досліджувати систему TRAPPIST-1 і, можливо, допоможе виявити атмосферу, здатну підтримувати життя в тому вигляді, в якому ми його знаємо.
За матеріалами phys.org
