W poprzednie notce naszkicowałem model Układu Słonecznego według rzeczywistych proporcji dla odległości między obiektami, które go tworzą oraz rzeczywistych proporcji wielkości tych obiektów. http://stanislaw-orda.szkolanawigatorow.pl/lepiej-trzymac-sie-ziemi
Natomiast dla zilustrowania usytuowania planety Ziemia i uwarunkowań związanych z tym usytuowaniem, konieczne jest omówienie roli jeszcze jednego parametru, a mianowicie masy, którego nie można pominąć w opowieściach o kosmosie. Wszystkie obiekty we Wszechświecie spaja siła przyciągania, którą nazywamy grawitacją i znamy jako prawo powszechnego ciążenia. Sir Izaak Newton dokonał w 1687 roku sformalizowania matema-tycznego omawianego prawa w postaci stosownego wzoru, w którym wyrażona jest zależność, iż masa punktu m1 przyciąga masę innego punktu m2 z siłą F, która jest proporcjonalna do iloczynu obu mas i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości (r) między nimi.

Grawitacja stanowi najważniejsze oddziaływanie organizujące strukturę materii we wszechświecie. Tym samym, również w przypadku Układu Słonecznego nie do pominięcia są relacje pomiędzy masami podstawowych jego składników. Dla potrzeb dalszego wywodu potrzebna jest kalibracja owego parametru. Dokonam jej w ten sposób, iż masie Ziemi przypiszę wartość o nominale „1”, natomiast masy innych obiektów będą stanowiły wielokrotność nominału przypisanego dla Ziemi, bądź jego część ułamkową.

Słońce posiada masę będącą odpowiednikiem 328,9 tysięcy mas Ziemi. Jest to wielkość trochę zaokrąglona, ale to zaokrąglenie nie przekracza 0,01 procenta i dla celów niniejszej prezentacji jest bez znaczenia. Masy pozostałych obiektów również przedstawię w podobnym zaokrągleniu. I tak Merkury, czyli planeta okrążająca Słońca w najbliższej odległości posiada masę 18 razy mniejszą od Ziemi, więc dla naszych potrzeb wyrażę ją wartością ułamka dziesiętnego o wielkości 0,055 (masy naszej planety). Wg tej recepty masy pozostałych planet w relacji do masy Ziemi wyniosą odpowiednio: Wenus - 0,81; Mars - 0,11; Jowisz - 317,9; Saturn - 95,2; Uran - 14,5; Neptun - 17,1. Zsumowana łączna masa wszystkich planet Układu Słonecznego to odpowiedniki 446,7 mas Ziemi. Pozostały do uwzględnienia masy księżyców, planetoid i komet. Księżyc posiada masę 81 razy mniejszą niż Ziemia, co wg przyjętej proporcji stanowi 0,0123 masy ziemskiej. Przyjmuję dla wszystkich wymienionych obiektów, które nie są planetami, łączną ich masę w wielkości 0,3 masy Ziemi, która to wielkość stanowi ekwiwalent masy 24 ziemskich Księżyców. Z całą pewnością taka właśnie wielkość nie została zaniżona. Ale nie musimy tego zbyt dokładnie wyliczać, gdyż wielkość ta ma znaczenie marginalne (0,3 odniesione do 446,7). Po dokonaniu stosownego sumowania otrzymujemy wynik, który stanowi odpowiednik 447 mas Ziemi.

W wyliczance tej nie uwzględniono sumarycznej j masy obiektów składających się na Pas Kuipera i na Obłok Oorta, gdyż takie wielkości pozostają nieznane.

447 mas Ziemi to zaledwie 0,13 procent masy Słońca. Tak więc masa Układu Słonecznego wraz ze Słońcem to odpowiednik 329 347 mas Ziemi, przy czym w masie Słońca skoncentrowane jest 99,87% tej masy . Dysproporcja w wielkości masy Słońca w stosunku do łącznej masy planet powoduje, iż punkt ciężkości dla układu: planety – Słońce, sytuuje się blisko powierzchni naszej gwiazdy.

Wspomniana dysproporcja decyduje także o tym, iż ruch względny Słońca wokół wspólnego środka masy jest minimalny, co z kolei ma wpływ na wysoką stabilność planetarnych orbit wokółsłonecznych. Ruch ten jest tak bardzo nieznaczny, że odpowiada przesunięciu Słońca o grubość ludzkiego włosa zmierzonego z odległości trzech kilometrów. Inaczej mówiąc, efekt tej wielkości byłby możliwy do zarejestrowania na dystansie  maksymalnie do 10 lat świetlnych. Aby zarejestrować oddziaływanie mniej masywnych planet lub takie oddziaływanie dla bardziej odległych systemów gwiezdnych potrzebne są bardzo precyzyjne instrumenty, w szczególności wyniesione ponad atmosferę ziemską. Tego rodzaju misję zbierająca dane astrometryczne prowadzi, między innymi, obserwatorium kosmiczne Kepler wyniesione na orbitę okołoziemską w I kwartale 2009 r. Jednym z takich przyrządów jest urządzenie nazywane interferometrem. Interferometry używane są do mierzenia zakłóceń promieni świetlnych z powodu „kołysania się” gwiazdy pod wpływem siły ciężkości obiegających je planet. Istnieją obecnie i mają praktyczne zastosowanie techniki pomiaru pozwalające uzyskiwać rozdzielczość o kilka rzędów większą, niż byłaby wymagana do zaobserwowania względnego ruchu składników układu Słońce – planety.

Z przytoczonych wielkości wynika, iż łączna masa czterech planet, tzw. gazowych olbrzymów (Jowisz, Saturn, Uran, Neptun) to ok. 99,5% masy wszystkich planet, natomiast na małe skaliste globy typu ziemskiego (Merkury, Wenus, Ziemia, Mars) przypada pozostałość w wymiarze 0,5%. W takiej relacji masa Ziemi stanowi 0,2%, a masa Jowisza ok. 71,1% łącznej masy planet. Planety Jowisz i Saturn reprezentują łącznie 92,4% tej masy. Pozycja poszczególnych planet w Układzie Słonecznym powoduje, iż dwie najbardziej masywne okrążają Słońce daleko poza orbitą Ziemi i spełniają rolę tarczy grawitacyjnej, która odchyla trajektorie drobniejszych intruzów kosmicznych. W ten sposób znakomita większość tych intruzów uzyskuje trajektorię omijającą orbitę Ziemi.

Po uformowaniu się obecnego układu planetarnego oddziaływanie grawitacyjne planet-olbrzymów spełniło rolę odkurzacza, który wymiatał większość gruzowiska lodowo-skalnego, tych jego fragmentów które nie zostały zużyte do budowy planet. Szczątki te zostały wyekspediowane siłami pływowymi planet olbrzymów daleko poza wewnętrzne rejony Układu Słonecznego, czyli usunięte z okolic Ziemi. Składniki gruzowiska, wyrzucone grawitacją Jowisza i Saturna, zasiliły bądź dalekie peryferie Układu Słonecznego (Pas Kuipera), bądź zostały wyrzucone jeszcze dalej. Wewnątrz Układu, między orbitą Marsa i Jowisza, krążą na orbitach okołosłonecznych niewielkie ich pozostałości w postaci pasa planetoid. Gdyby masy Jowisza i Saturna były znacząco mniejsze lub ich usytuowanie względem Ziemi i Słońca było inne, częstość katastrofalnych zderzeń Ziemi z kometami czy planetoidami byłaby ok. 1000 razy większa. To oznacza iż do takich katastrof, które w dziejach planety oznaczały „wielkie wymieranie”, dochodziłoby co 50 lub 100 tysięcy lat zamiast, mniej więcej, co 50 lub co 100 milionów lat.

Tworzone modele poszczególnych wariantów planetogenezy nie przesądzają o tym, w jakim stopniu znana nam struktura układu planetarnego składającego się na Układ Słoneczny może być typowa dla układów planetarnych istniejących przy innych gwiazdach. Pierwotny obłok protoplanetarny, z którego powstało Słońce i planety posiadał materię wystarczająca na utworzenie jednej gwiazdy i kilku planet, przy czym tylko jednej planety rozmiarami i masą wyraźnie dominującej nad pozostałymi (Jowisz). Gdyby obłok protoplanetarny posiadał wielokrotnie większe rozmiary, mogłoby wystarczyć budulca na utworzenie drugiej gwiazdy. Przykładowo, na miejscu Jowisza powstałby obiekt o masie 80 do 100 razy większej, która byłaby wystarczająca do wygenerowania wartości ciśnienia i temperatury w jądrze, umożliwiających zapalenie się wodoru i zainicjowanie procesu nukleosyntezy. Obiekt taki stałby się wówczas gwiazdą z dolnej granicy mas gwiezdnych, czyli samograwitującym reaktorem nuklearnym, zaś Układ Dwu-Słoneczny stanowiłby ciasny system gwiazdy podwójnej. Miałoby by to najprawdopodobniej tego rodzaju konsekwencje, że siły pływowe istniejące pomiędzy oboma składnikami gwiezdnymi nie pozwoliłyby na znane obecnie uformowanie planet, natomiast pozostałości materii obłoku planetarnego w formie pasa planetoid krążyłyby wewnątrz systemu gwiezdnego. Możliwe byłoby także wyrzucenie kształtujących się planet z układu przez oddziaływanie grawitacyjne wspomnianego układu dwóch gwiazd lub też zakotwiczenie ich na bardzo ciasnych orbitach okołogwiezdnych. Możemy stworzyć liczne warianty dla modelu planetogenezy, ale pozostanie nie rozwiązany problem możliwości ich weryfikacji.

Ze swej strony wątpię, czy rozwiązanie tej kwestii możliwe jest w wyniku mnożenia teoretycznych kombinacji.

Natomiast w przypadku gdyby masa Jowisza była znacząco mniejsza, skalno-lodowe pozostałości obłoku planetarnego krążyłyby w całości wewnątrz systemu planetarnego, gdyż nie mogłyby być wyrzucone daleko poza jego granice z powodu niewystarczających do tego sił grawitacji. Znacząco większa ich ilość zderzałaby się z Ziemią. Odłamki takie zawierają lód, co oznacza, iż stanowią one ważne źródło istniejących zbiorników wodnych
na planecie. W rezultacie bardziej obfitego zasilania lodem, który ulegałby roztopieniu, cała planeta mogłaby zostać zalana wodą, czyli jej powierzchnię pokrywałby jednolity ocean, bez miejsca na suchy ląd. Oznacza to, że utworzenie rozmaitych modeli dla przebiegu planetogenezy zależy od przyjęciu warunków początkowych. Powstanie planet typu ziemskiego wokół gwiazdy zależy w decydującym stopniu zarówno od rozmiarów, jak też składu chemicznego obłoku protoplanetarnego, tzn. czy zawiera on w wystarczającym stopniu koncentracji takie pierwiastki, jak krzem, węgiel, żelazo, tlen, azot, etc.

Warunki początkowe nie mogą jednak mieć dowolnych parametrów. Można wskazać dla nich silne ograniczenia. Np. masa planet skalistych nie może być dowolnie duża w kontekście życia organicznego w jego bardziej rozwiniętych formach. Im większa taka masa, tym większa siła ciążenia, która ma np. wpływ na krążenie płynów ustrojowych. Wyobraźmy sobie przez chwilę, że na Ziemi jest dwukrotnie wyższa grawitacja. Jaką grubość musiałyby mieć wówczas ścianki żylne lub tętnicze, jak wyglądać miałyby naczynia włoskowate, jak masywne mięśnie musiałoby mieć serce, aby mogło przepompowywać dwa razy cięższą krew. Z kolei wymagałoby to odpowiednio silniejszych płuc do pompowania tlenu do krwi, etc., etc. I jaką wytrzymałość musiałyby mieć struktury mózgowe, aby być odporne na wcale popularne objawy uderzenia krwi do głowy.

Po przedstawieniu najważniejszego parametru, który wyznaczył nasze miejsce wśród obiektów Układu Słonecznego, możemy przejść do zasadniczego tematu naszego opowiadania, czyli skoncentrować się na przypadku planety Ziemia. Potocznie mówi się, że Ziemia ma kształt kulisty, ale takie określenie zawiera w sobie uproszczenie. W rzeczywistości kształt naszej planety jest odmianą elipsoidy trójosiowej, zwanej geoidą. Jej objętość wynosi ponad 1 bilion km sześciennych. Ze względu na to, iż Ziemia obraca się wokół swojej osi, czyli wiruje jak bąk, ulega pod wpływem siły odśrodkowej nieznacznemu zdeformowaniu, a mianowicie spłaszczeniu. Spłaszczenie mierzone na długości promienia biegunowego wynosi ok. 21,5 km (0,34%), zaś na długości promienia równikowego 0,2 km (0,003%), czyli jest ok. 100 razy mniejsze. Około 71,0% powierzchni planety pokrywają wody. Łączna objętość wody to ok. 1,3 mld km3,  z czego 99,7% przypada na oceany i morza, a reszta na całą resztę. Około 2,0% wody jest zamarznięte w postaci lodu polarnego. Gdyby zatem zniwelować powierzchnię Ziemi, wyrównując na niej średnią wysokość, w całości pokryła by ją warstwa wody o głębokości, mniej więcej, 1,5 km.

Ziemię otacza warstwa atmosfery, której masa, w wystarczającym przybliżeniu, stanowi jedną milionową masy planety. Relacja pomiędzy wodą a atmosferą stanowi rodzaj sprzężenia zwrotnego, gdyż okresowo nawet do 4,0% wody pojawia się pod postacią pary wodnej. Oczywiście największa koncentracja pary wodnej występuje w warstwie atmosfery bliskiej powierzchni. Właściwie nie ma przekonujących symulacji świadczących o tym, czy taka ilość wody, jaka znajduje się na Ziemi oraz związana ze średnią temperaturą na planecie szybkość jej cyrkulacji w ekosystemie, jest niezbędna dla względnej stabilności warunków klimatycznych i wydajności takiego mechanizmu transportującego niezbędną ilość wody dla procesów życiowych w obserwowanej różnorodności organizmów biologicznych. Czy np. mniejsza ilość wody, mniejsza jej powierzchnia parowania oraz głębokość (pojemność w absorpcji np. dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych), nie powodowałaby zbytniego wysuszania atmosfery i związanego z tym postępującego pustynnienia obszarów lądowych.

Najprawdopodobniej byłby to proces o dodatnim sprzężeniu zwrotnym, bo zmniejszająca się ilość pary wodnej w atmosferze byłaby także czynnikiem oziębiającym klimat. Oprócz dwutlenku węgla, para wodna jest ważnym elementem efektu cieplarnianego, gdyż stanowi pojemny kondensator energii dostarczanej przez Słońce. Obecnie najbardziej znanym czynnikiem, który odpowiada za powstawanie efektu cieplarnianego jest dwutlenek węgla. Jego stężenie w atmosferze ziemskiej wynosi jakieś 0,03%. Efekt cieplarniany, oczywiście w dotychczasowych granicach, jest konieczny do tego, aby średnia roczna temperatura planety była wyraźnie dodatnia (wynosi obecnie ok. plus 15 do 16 C). Bez niego temperatura na naszej planecie byłaby wyraźnie ujemna (-18 C), a zatem powierzchnia Ziemi wyglądałaby zupełnie inaczej, gdyż byłaby skuta lodem. Nie można także pominąć takiego elementu mającego wpływ na temperaturę, że sporych rozmiarów planeta skalista, jaką jest Ziemia, jeszcze całkowicie nie ostygła (jak np. Księżyc czy już prawie całkowicie Mars) i występuje na niej w znaczących rozmiarach aktywność tektoniczna. Na stabilność (względną) klimatu na Ziemi wpływ ma jeszcze jeden istotny czynnik, a mianowicie wielkość naturalnego satelity Ziemi. Proporcja rozmiarów i masy Księżyca w odniesieniu do Ziemi jest przypadkiem niespotykanym dla innych planet i ich księżyców w Układzie Słonecznym (wyłączamy z rozważań układ planetek Pluton – Charon). Masa Księżyca wynosi ok. 1,2% masy Ziemi i jest kilka rzędów wyższa, niż łączne masy innych księżyców w stosunku do ich planet macierzystych. Taki właśnie stosunkowo masywny Księżyc powoduje, iż oś nachylenia Ziemi do płaszczyzny jej orbity okołosłonecznej nachylona jest pod stabilnym kątem, który waha się jedynie w granicach od 22,0 do 24,6 stopni (i ponownie do 22,0 stopni) w ciągu 41.000 lat. Gdyby Księżyc miał znacząco mniejszą masę lub w ogóle go nie było, to wówczas wahania nachylenia osi ziemskiej sięgałyby rozpiętości od 5 do 85 stopni. To zaś znaczyłoby, iż w pewnych okresach na równiku byłoby zimniej niż na biegunach, a po pewnym czasie na odwrót. Mało masywny Księżyc powodowałby, iż wahania takie byłyby chaotyczne w czasie, co powodowałoby katastroficzne zmiany klimatu o nieprzewidywalnych interwałach czasowych. Ponadto, jak wiadomo, masywny Księżyc oddziaływa na występowanie silnych pływów w ziemskich oceanach, powodując okresowe regularne zalewanie obszarów przybrzeżnych (przypływy i odpływy). Najprawdopodobniej zjawisko to odegrało decydującą rolę w wyjściu i ekspansji życia biologicznego z wody na ląd. Jeśli nie byłoby grawitacyjnego oddziaływania Księżyca, pływy oceaniczne w praktyce by nie występowały.

Atmosfera ziemska to, objętościowo, przede wszystkim azot (78,1%) oraz tlen (21,0%), para wodna zawiera się okresowo w granicach 0 - 4 procent, argon 0,9 %, dwutlenek węgla 0,03%. Jednym z najistotniejszych składników atmosfery jest ozon (tlen trójatomowy), chociaż występuje w śladowych ilościach, a jego objętość w atmosferze to zaledwie 0,00004% . Ozon występuje tam, gdzie atmosfera zawiera tlen. Powszechnie uważa się, że zawartość tlenu w atmosferze planety jest warunkiem możliwości istnienia na niej życia biologicznego. Nie jest to jednak czynnik jednoznaczny. Gdyby zawartość tlenu w atmosferze ziemskiej różniła się co najmniej o dziesięć procent od obecnej jego koncentracji, życie biologiczne miałoby nie lada problemy. Gdyby zawartość ta spadła do 19% -18%, nie byłoby możliwe oddychanie ludzi bez wspomagania aparatami tlenowymi. Z kolei gdyby podniosła się ona do wartości 23-24%, następowałby np. samozapłon suchych materiałów typu papier, włosy na głowie, suche trawy (siano), a nawet dojrzałe łany zboża na polach. Zatem tlen jest potrzebny, ale jest on życiodajny tylko w dosyć ściśle określonych granicach. Poza nimi jego rola dla organizmów żywych jest destrukcyjna. Dotyczy ta zasada wszystkich składników atmosfery ziemskiej. Ale nie mniej ważny jest ozon, który chroni komórki życiowe przed promienio-waniem ultrafioletowym, mającym właściwości sterylizacji życia w komórkach. Ozon tworzy się np. jako efekt wyładowań elektrycznych w chmurach. Co z kolei oznacza, iż musi istnieć odpowiednia koncentracja pary wodnej
w atmosferze umożliwiająca tworzenie się odpowiednio grubej warstwy chmur. A to jest funkcją ilości wody oraz szybkością jej wymiany (parowanie), co z kolei jest związane z wysokością temperatury powierzchniowej. Jeśli planeta posiada oceany, ale jest zbyt gorąca, oceany zagotują się, woda przekształci się w parę wodną, której cząsteczka dosyć szybko rozłoży się na wodór i tlen. W atmosferze pojawi się wówczas (przejściowo) znaczna obfitość tlenu, a pomimo to nie będzie to przecież oznaką istnienia życia biologicznego. Tlen taki dosyć szybko zwiąże się z innymi pierwiastkami i nie utworzy ponownie cząsteczek wody. Z drugiej strony nawet prymitywne organizmy biologiczne na naszej planecie potrafią produkować tlen. To jest dosyć wiarygodny wskaźnik mówiący
o prawdopodobieństwie życia biologicznego. Niestety, nic nam on nie powie na temat jakości takiego życia, a zwłaszcza szczebla jego rozwoju.

Reasumując, o możliwości życia biologicznego na Ziemi decydują trzy wskaźniki atmosferyczne, czyli obecność tlenu, pary wodnej i ozonu w atmosferze. Znalezienie ich w atmosferach innych planet uwiarygodniałoby możliwość istnienia na nich życia biologicznego. Pominę w tym miejscu rozważania wskazujące, że życie biologiczne możliwe jest wyłącznie w oparciu o związki węgla. To zupełnie odrębny temat, przyjmijmy tylko jako uzasadnienie, iż inne pierwiastki nie dysponują tak wielką elastycznością tworzenia związków chemicznych. Węgiel tworzy więcej związków niż wszystkie pozostałe składniki Układu Okresowego Pierwiastków razem wzięte.

Dlaczego zatem Ziemia?

Kwestia ta wiąże się z pewną prawidłowością, przejawiająca się w tym, iż nasza galaktyka nie jest zbyt typowym rodzajem galaktyki, a Słońce wcale nie należy do najbardziej typowych gwiazd, również Układ Słoneczny może stanowić bardzo nietypową konfigurację planetarnego układu wokół gwiazdy, zaś wśród tych planet układ Ziemia – Księżyc również odznacza się dosyć szczególnymi cechami, które wcale nie muszą być typowe.

Pośród ogromu kosmicznych obiektów i możliwych ich konfiguracji mogło się zdarzyć, iż pojawiła się bardzo specyficzna kombinacja różnorodnych i niekoniecznie typowych uwarunkowań, która umożliwiła powstanie i rozwój życia biologicznego, aż do jego inteligentnej formy. Musiały wypalić się pokolenia gwiazd, w których nuklearnych tyglach z wodoru i helu wytworzyły się żelazo, tlen, krzem, azot, siarka, węgiel, magnez oraz pozostałe pierwiastki, które następnie musiały rozprzestrzenić się w obłokach międzygwiezdnych. Obłoki te musiały się skondensować aby utworzyć gwiazdy, a wokół nich planety. Wszystko to wymagało tak czasu jak i przestrzeni, adekwatnych co do skali do rozmiaru wspomnianych obiektów Obłoki takie mogły utrzymać się jedynie w bardzo rozległych strukturach związanych grawitacyjnie, jakimi są galaktyki.

Okazuje się więc, że związek pomiędzy życiem na jednej z planet krążących wokół jednej z gwiazd jest uzależniony od warunków początkowych, umożliwiających ewolucję wszechświata, w tym zwłaszcza od wartości stałej grawitacji. Gdyby jej wartość była wyższa, gwiazdy zbyt szybko by się wypaliły, a wszechświat nader szybko zakończyłby swoją historię w powszechnym kolapsie. Gdyby zaś ta wartość była niższa, materia nigdy nie sformowałaby się w gwiazdy i galaktyki, a zamiast tego rozpłynęłaby się coraz bardziej rozrzedzane w coraz większej przestrzeni. W obydwu przypadkach nie byłoby w takim świecie warunków na pojawienie się świadomych obserwatorów nieba. Skoro jednak pojawili się, to oznacza, że warunki jakie zaistniały w znanym nam wszechświecie, umożliwiły taki proces, przynajmniej lokalnie, chociaż oczywiście nie znamy stopnia prawdopodobieństwa występowania tego rodzaju lokalności. Natomiast wzajemna koherencja (koincydencja) owych warunków, którą reprezentuje przypadek planety Ziemia, wydaje się wskazywać na statystyczną znikomość tego stopnia.

******

Wykaz moich notek na portalu "Szkoła Nawigatorów" pod linkiem:

http://stanislaw-orda.szkolanawigatorow.pl/troche-prywaty      

 

---

tagi: planeta ziemia 

	stanislaw-orda
	10 marca 2019 22:09

51     2369    8 zaloguj sie by polubić