Post on 30-Jan-2016
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Planetologia Extrasolare
Zone Abitabili ed abitabilita’
R.U. Claudi
Linee generali di evoluzione della vita
H,C,N,O,S,P…
CH4,CO2,CO,H2O,H2S,N2,NH3,H3PO4
Biomonomeri, amminoacidi,zucheri,
basi
Biopolimeri, proteine, acidi nucleici
1° sistema viv.
Microfossili precambriani
oggi
Evoluzione chimica
Evoluzione Biologica
Composizione chimica degli organismi viventi
Metallicità ed AbitabilitàEsiste un limite inferiore di metallicità, al di sotto del quale non si hanno elementi pesanti sufficienti per formare pianeti di tipo terrestre?
[Fe/H] ~ - 0.3
1. Massa totale pianeti terrestri scala linearmente con [Fe/H]
2. Massa pianeti terrestri sistema Solare tipica
3. 1M massa minima per pianeta abitabile
Turnbull, 2003
Requisiti di Abitabilità
1. Presenza di elementi pesanti
2. Disponibilità di Acqua (HZ..ma non solo)
3. Tempo scala di abitabilità lungo (stabilità)
Storia del concetto di zona abitabile
1959-1960
1964
1966
1970
1978
1988
1991
1992
Huang Zona abitabile:come la zona intorno ad una stella in cui può esistere un pianeta abitabile
Dole
Skhlovski & Sagan
Ecosfera: zona intorno ad una stella entro cui su un pianeta almeno il 10% della superficie ha una Temperatura compresa tra i –10 e 30 C
Rasool & DeBergh
Hart
Kasting
Whitmire
Zona abitabile:come la zona intorno ad una stella in cui può esistere un pianeta sulla cui superfice si abbia acqua liquida
FoggZona Biocompatibile:come la zona intorno ad una stella in cui può esistere un pianeta sulla cui superfice si abbia acqua liquida e Zona Abitabile quella compresa entro cui sia possibile la vita umana
Definizioni:
•Zona Abitabile (HZ) – è la regione intorno ad una stella in cui un pianeta di tipo terrestre può mantenere, in qualche istante di tempo, l’acqua allo stato liquido.
•Zona continuamente abitabile (CHZ) – la regione in cui un pianeta può rimanere abitabile per uno specifico periodo di tempo (per esempio 4.6 Gy)
Limiti della zona abitabile: Calcolo ingenuo
Sole Venere Terra Marte
0.7 UA 2.0 UA0.96 UA
Tp=280 K
Tp~400 K Tp=270 K
I Calcoli di M. Hart (Icarus, 1978, 1979)
•La CHZ(4.6 Gyr) intorno al Sole è relativamente stretta
–0.95 UA: Runaway greenhouse (effetto serra autoalimentato)
–1.01 UA: Runaway glaciation (Glaciazione autoalimentata)
•Le CHZ intorno alle altre stelle sono perfino più strette
–Corollario: la terra potrebbe essere il solo pianeta abitabile nella nostra galassia
Hart è stato il primo a considerare l’evoluzione delSole nel calcolo della zona (CHZ)
Effetto SerraTeff=5770 Molecola di CO2
Vibrazioni e rotazione
C
O
ORadiazione visibile a 500 nm
Radiazione infrarossa a 100 m
Superfice planetaria a Teff=293 K (20 C)
Glaciazione irreversibile
Superfice planetaria
Sole Luce riflessa
Ghiaccio
Rocce
Oceani
Nuvole
Ghiaccio
15%
4%
52%
70%
Albedo
Hart 1978
Stabilizzazione del Clima: ciclo Carbonio Silicati
SUBDUZIONE
METAMORFISMO
(-)
temperaturaSuperficiale
Pioggia
Tasso di Weathering
de silicati
CO2
Atmosfericoeffetto serra
Loop a Feedback Negativo
Runaway greenhouse Effect: Effetto Serra autoalimentato
Aumento della temperatura superficiale del pianeta non controbilanciato da una diminuzione dei gas serra in atmosfera.
Innalzamento della quota dello strato invertente per il vapore acqueo
Raggiungimento del vapore acqueo degli strati alti dell’atmosfera e sua fotodissociazione
Diminuzione del livello di acqua nell’atmosfera
Riduzione dell’efficienza della relazione di “weathering” dei silicati
Aumento della anidride carbonica in atmosfera
Fotodissociazione dell’acqua
H è perso dall’atmosferaProduzione di O abiotico
I confini della zona abitabile
I modelli che calcolano questi limiti hanno due tipi di approccio:
Approccio conservativo: Assumono che CO2 e H2O siano i soli gas serra importanti
Approccio meno conservativo: Considerano anche il metano
•Confine interno: è determinato dalla perdita di acqua causata dall’effetto serra autoalimentato
•Confine esterno: dipende da quanto efficiente può essere l’effetto serra su un pianeta.
Seff=S/S0 a(UA)
Venere Recente 1.76 0.75
Runaway Greenhouse 1.41 0.84
Perdita di acqua 1.10 0.95
Prima condensazione CO2 0.53 1.37
Greenhouse massimo 0.36 1.67
Early Mars 0.32 1.77
I confini della zona abitabile per il Sole
Kasting etal. 1993, Icarus
J. F. Kasting, Icarus (1988)
Caso di Venere
Evoluzione dell’atmosfera terrestre ed effetti biologici
Glaciazione Uroniana Microorganismi fotosintetici che producono O2,
Ossidazione del CH4
Batteri MetanogeniMetabolismo:CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O
Problema del Sole Giovane:S0~0.30Sattuale
Snowball EarthMa: Zirconi a 4.3 Gye 3.5Gy= evidenza Acqua Liquida
Soluzione:
Hart 1978
H. D. Holland (1994)
Indicatori Geologici di O2
Caso di Marte
Distante dal sole, per mantenere caldi CO2 e H2O avrebbe dovuto avere un forte effetto serra. Condensazione di questi gas al limite dell’atmosfera.
Entrambe soggetti alla fotodissociazione
Massa di marte 1/9 massa terrestre
Scarsa attività tettonica
Nessun rifornimento di CO2
Zone Continuamente AbitabiliRegione intorno ad una stella in
cui la zona di abitabilità è stabile contro:
1. Variazioni di luminosità della stella
causate dalla sua evoluzione
2. Instabilità dinamiche
3. Estinzioni di massa per cause
astronomiche
Limite temporale: ab~3 Gyr (Hart 1979, Henry et al. 1995)
Venere recenteRunaway greenhouse
Perdita di acqua
Cond. CO2
Maximum greenhouse
Early mars
Zone Abitabili Per le altre stelle
Interno: fotoionizzazione acqua, fuga H.
Esterno: CO2 nuvole, riflessione luce solare
I limiti delle zone abitabili intorno a stelle di tipo spettraleDiverso dal sole possono essere ricavati da:
Evoluzione veloce
Corrotazione
Teniamo presente che il contesto galattico ha importanza nella abitabilitàTeniamo presente che il contesto galattico ha importanza nella abitabilità
La zona abitabile galattica La zona abitabile galattica
•Requisiti di composizione per la formazione dei Requisiti di composizione per la formazione dei pianeti abitabili (metallicità)pianeti abitabili (metallicità)
•Scala galattica a confronto con la vita complessaScala galattica a confronto con la vita complessa
•Entrambe pongono dei limiti nello spazio e nel Entrambe pongono dei limiti nello spazio e nel tempo per l’esistenza dei paineti abitabilitempo per l’esistenza dei paineti abitabili
•La zona galattica di abitabilità ha limiti che possono La zona galattica di abitabilità ha limiti che possono variare a causa dello scatter di metallicità ad un variare a causa dello scatter di metallicità ad un dato periodo ed ad un dato tempo dato periodo ed ad un dato tempo
Guillermo Gonzalez 2002Guillermo Gonzalez 2002
Sopravvivenza della vita complessaSopravvivenza della vita complessa
•Eventi transienti: Supernovae, gamma ray Eventi transienti: Supernovae, gamma ray burst e outburst del nucleo galatticoburst e outburst del nucleo galattico
•Impatti di comete dovuti alla perturbazione Impatti di comete dovuti alla perturbazione della nube di Oort da stelle vicine, nubi della nube di Oort da stelle vicine, nubi molecolari giganti e effetti galattici di marea.molecolari giganti e effetti galattici di marea.
Evoluzione nel tempo del tasso di supernovae.
Timmes et al. (1995)
Data from Case and Bhattachrya (1998)
Variazione radiale di Supernovae
La zona Galattica Abitabile
Guillermo Gonzalez 2002
Conclusioni
•Le HZ e le CHZ intorno a stelle di tipo solare, sono relativamente grandi a causa delle conseguenze della stabilizzazione del clima dovuto al ciclo dei carbonati e silicati
•Le stelle che sono le migliori candidati all’abitabilità sono le stelle fra le classi spettrali F0 e K5.