Elinkelpoinen planeetta
Wikipedia
Elinkelpoinen planeetta on planeetta, jolla voi esiintyä Maan kaltaista elämää. Yleisesti elinkelpoisena pidetään Maata muistuttavaa planeettaa, joka on suunnilleen samalla etäisyydellä keskustähdestään kuin Maa, sekä karkeasti ottaen Maan massainen.
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.
Jos planeetta asutetaan tai sinne tuodaan bakteereita muualta, sen ominaisuuksien ei tarvitse olla yhtä tarkkaan Maan tyyppisiä kuin planeetoilla, joilla elämä kehittyy Maan tapaan.
Sisällysluettelo |
[muokkaa] Elinkelpoisen planeetan kuvailua
[muokkaa] Kaasukehä
Elinkelpoisella planeetalla on oltava kaasukehä. Jos planeetta on maata huomattavasti kevyempi, happi karkaa pois sitä helpommin, mitä lämpimämpi planeetta on. Toisaalta jos planeetta on massiivinen, sillä voi olla hyvin tiheä kaasukehä, joka on jättiläisplaneettojen tapauksessa muuttunut alaosaltaan valtavaksi vety- ja helium-mereksi.
Suurelle ja tiheällä planeetalla on suuri pakonopeus
,
missä
- Vp = pakonopeus
- G = gravitaatiovakio
- M = massa
- R = säde
Jos massat ja säteet ilmoitetaan Maan massoina ja säteinä, saadaan likiarvoksi:
Kuulla on hyvin pieni pakonopeus maahan verrattuna, koska se on maata kevyempi ja eikä niin tiheä kuin Maa. Jos kaasu liikkuu ilmakehässä pakonopeutta suuremmilla nopeuksilla, se karkaa avaruuteen.
Lämpimämmiltä planeetoilta karkaa enemmän kaasua pois ilmakehästä avaruuteen kuin kylmemmiltä, koska suuremmassa lämpötilassa kaasuosasten lämpöliike on voimakkaampaa. Auringon lämmittäessä kaasukehän kaasua sen osaset saavuttavat tietyn nopeusjakauman. Jotkin kaasuhiukkaset saattavat liikkua auringon säteilyn kiihdyttämänä jopa 5 kertaa kaasumolekyylien keskimääräistä nopeutta nopeammin. Kevyet kaasut kuten vety liikkuvat raskaampia kaasuja, esim happea ja hiilidioksidia vikkelämmin.
Ideaalisen kaasumolekyylin keskinopeus voidaan laskea seuraavasti:
,
missä
- k=Boltzmannin vakio
- Tk=keskilämpötila kelvineissä
- m=kaasumolekyylin keskimääräinen massa
Kaavasta voidaan kehittää likiarvo molekyylipainon funktiona:
,
missä mm on molekyylipaino. Esimerkiksi vetymolekyylille H2 se on 2.
Jos nopeusjakauman keskiarvo Vk on sama kuin planeetan pakonopeus, kaasukehä karkaa hyvin nopeasti.
Koska kaasumolekyylien nopeusjakauma on liukuva, ei osata sanoa tarkkaa rajaa sille, missä ajassa ja miten suurelta planeetalta tietyistä kaasuista, esim. hapesta ja typestä koostuva kaasukehä karkaa. Käytännössä voidaan sanoa, että puolet kaasukehästä pysyy planeetan pinnalla 1000 miljoonaa vuotta jos Vk < 0,2Vp eli kaasuhiukkausten keskinopeus on alle viidesosa pakonopeudesta. Mutta jos kaasumolekyylit liikkuvat neljäsosan nopeudella, kaasu pysyy ilmakehässä vain muutamie tuhansia vuosia, ja kolmasosan nopeudella pakonopeudesta vain muutaman viikon. Maalle näyttää olevan ominaista, että se heliumin liikenopeus on suurempi kuin maan pakonopeuden kuudesosa eli 
. Happi liikkuu Maan ilmakehässä suunnilleen nopeudella 0,46 km/s 0-asteessa ja vety nopeudella 1,84 km/s. Maan pakonopeus on 11,2 km/s.
Jos siis planeetta on huomattavasti kevyempi kuin Maa, sen pinnalta karkaa suuri osa kaasusta pois kuten Marsissa on käynyt. Marsin massa on noin 0,15 Maan massaa. Pakonopeus on siellä noin 5 km/s. Keskilämpötila on 210 kelviniä. Näissä oloissa Marsilla on vain ohut ilmakehä, jonka paine on alle prosentin maan ilmanpaineesta eli 0,7 -- 0,9 kPa.
Jos ilmanpaine on 0,1 Maan ilmakehää, tarvitaan hengityslaitetta niin kuin korkealla vuoristossa. Elinkelpoisen planeetan alaraja olisi silloin noin 0,4 Maan massaa. Planeetan läpimitta olisi silloin 0,73 maan läpimittaa eli 9300 km. Teoriassa happi ja typpi pysyisivät 0,07 -- 0,12 maan massaisen planeetan pinnalla. Tällaisen planeetan säde olisi puolet maan säteestä, jos tiheys olisi sama kuin maalla. Jos planeetta toisaalta on kovin raskas, sen ilmakehässä voi olla myrkyllisiä kaasuja jota saattaisi kertyä runsaasti. Vedyn täytyisi päästä karkaamaan planeetan pinnalta. Näin elinkelpoisen planeetan yläraja voisi olla noin kolme Maan massaa. Toisaalta jokin alkeellinen elämänmuoto voi neutraloida nämä kaasut pois. Luultavasti alussa Maan kaasukehässä oli runsaasti hiilidioksidia. Jos planeetan ilmakehässä olisi hiilidioksidia 10% nykyisen Maan ilmakehän 0,04%:n sijasta, niin se vaatisi hengityskoneistolta 10 kertaa nykyistä suurempaa tehoa, ellei suurempaakin. Luultavasti tämä rajoittaa ilmakehän koostumusta. Kaasunpaine vaikuttaa myös kaasumaisten aineiden sulamis- ja kiehumispisteisiin, nämä taas planeetan ilmastoon ja lämpötilaan. Kaasunpaine riippuu planeetan ilmakehässä olevan kaasun määrästä ja pakonopeudesta ja lämpötilasta.
[muokkaa] Magneettikenttä
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 että magneettikentän synnyttävä dynamo toimisi. Esim. Venuksella ei ole voimakasta, suojaavaa magneettikenttää.
[muokkaa] Laattatektoniikka
Planeetalla on oltava mannerliikuntoja. Mannerliikunnat vaativat planeetalta mehdollisesti 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. Marsissahan 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.
Maan keskilämpötila on vaihdellut -5 -- 25 C rajoissa, ollen huipussaan 30 C. Tällöin hiilidioksidipitoisuus on ollut jopa 20 kertaa nykyistä suurempi. Erään arvion mukaan 3,8 miljardia vuotta sitten keskilämpötila maan pinnalla oli 80, 3,0 miljardia vuotta sitten 70 C ja 2,0 miljardia vuotta sitten 60 C ja 1,5 miljardia vuotta sitten 40 C.
[muokkaa] Asutuskelpoinen planeetta
Asutuskelpoinen planeetta on terrestrinen 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 vapaamielisesti katsoen 0,65 –- 1,35 AU. Tällaisen planeetan saattaisi jokin muualta tullut sivilisaatio helpostikin asuttaa.
[muokkaa] Elinkelpoinen planeetta
Elinkelpoinen Maata läheisesti muistuttava planeetta vaatii keskustähden, joka pysyy vakaana vähintään 2,7 miljardia vuotta. Jos aurinko olisi hyvin epävakaa ja sen kirkkaus vaihtelisi, Maa vuoroin paistuisi ja vuoroin pakastuisi. Planeetan pitäisi sijaita ekosfäärissä 0,95 -- 1,05 AU:n päässä aurinkoa muistuttavasta tähdestä. Päivän pituuden olisi oltava yli 96 tuntia, ettei lämpötila putoaisi liikaa yön aikana. Planeetan pinnan keskilämpötilan olisi oltava veden jäätymispisteen ja 30 asteen välillä. Ilmanpaineen olisi oltava 0,35 -- 2,6 atm, painovoima päästää heliumin pakoon, mutta pitää typen. Pinnalla on oltava sekä jää- että vesialueita.
[muokkaa] Kiertoradan ja kuiden vaikutus
Jos Maan rata olisi kovin soikea, planeetallamme olisi pitkin vuotta vuoroin liian kuuma tai liian kylmä. Jos Maan pyörähdysaika olisi lukkiutunut samaksi kuin kiertoaika Auringon ympäri, ilmakehä saattaisi jäätyä Maan toiselle, pimeälle puolelle. Väitetään myös, että jos Kuu ei vakauttaisi Maan pyörimistä, Maan akselin holtiton kieppuminen tekisi Maasta elinkelvottoman. 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.
[muokkaa] Suojaavat jättiplaneetat
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 niitten 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.
Aurinkokuntamme varhaishistoriassa Jupiterilla oli jossain määrin vastakkainen rooli: se lisäsi asteroidivyön kappaleitten 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.
[muokkaa] Elämä sietää äärioloja
Varsinkin alkeellinen elämä sietää äärioloja. Jotkut bakteerit kestävät 113°C 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.
[muokkaa] Varmasti elinkelvoton planeetta
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.
