Zona Abitabile
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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 Evoluzione chimica Biomonomeri, amminoacidi,zucheri, basi Biopolimeri, proteine, acidi nucleici 1° sistema viv. Microfossili precambriani oggi Evoluzione Biologica Composizione chimica degli organismi viventi Metallicità ed Abitabilità Esiste un limite inferiore di metallicità, al di sotto del quale non si hanno elementi pesanti sufficienti per formare pianeti di tipo terrestre? 1. Massa totale pianeti terrestri scala linearmente con [Fe/H] 2. Massa pianeti terrestri sistema Solare tipica 3. 1M massa minima per pianeta abitabile [Fe/H] ~ - 0.3 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 Huang Zona abitabile:come la zona intorno ad una stella in cui può esistere un pianeta abitabile 1964 Dole 1966 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 1970 1988 Rasool & DeBergh Zona abitabile:come la zona intorno ad una stella Hart in cui può esistere un pianeta sulla cui superfice Kasting si abbia acqua liquida 1991 Whitmire 1992 Fogg 1978 Zona 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 Tp=280 K Tp~400 K Sole Venere Terra 0.7 UA 0.96 UA Tp=270 K Marte 2.0 UA I Calcoli di M. Hart (Icarus, 1978, 1979) Hart è stato il primo a considerare l’evoluzione delSole nel calcolo della zona (CHZ) •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 Effetto Serra Teff=5770 Molecola di CO2 O C Radiazione visibile a 500 nm Vibrazioni e rotazione O Radiazione infrarossa a 100 m Superfice planetaria a Teff=293 K (20 C) Glaciazione irreversibile Albedo Sole Luce riflessa Ghiaccio Superfice planetaria Oceani 4% Rocce 15% Nuvole 52% Ghiaccio 70% Hart 1978 Stabilizzazione del Clima: ciclo Carbonio Silicati METAMORFISMO SUBDUZIONE Loop a Feedback Negativo Pioggia Tasso di Weathering de silicati temperatura Superficiale (-) effetto serra CO2 Atmosferico 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 Produzione di O abiotico H è perso dall’atmosfera I confini della zona abitabile •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. 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 I confini della zona abitabile per il Sole Kasting etal. 1993, Icarus 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 Caso di Venere J. F. Kasting, Icarus (1988) Evoluzione dell’atmosfera terrestre ed effetti biologici Problema del Sole Giovane: S0~0.30Sattuale Snowball Earth Ma: Zirconi a 4.3 Gy e 3.5Gy= evidenza Acqua Liquida Soluzione: Batteri Metanogeni Metabolismo: Glaciazione Uroniana Microorganismi fotosintetici che producono O2, Ossidazione del CH4 CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O Hart 1978 Indicatori Geologici di O2 H. D. Holland (1994) 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 Abitabili Regione 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) Early mars Maximum greenhouse Cond. CO2 Perdita di acqua Runaway greenhouse Venere recente Zone Abitabili Per le altre stelle I limiti delle zone abitabili intorno a stelle di tipo spettrale Diverso dal sole possono essere ricavati da: Interno: fotoionizzazione acqua, fuga H. Evoluzione veloce Corrotazione Esterno: CO2 nuvole, riflessione luce solare La zona abitabile galattica Guillermo Gonzalez 2002 •Requisiti di composizione per la formazione dei pianeti abitabili (metallicità) •Scala galattica a confronto con la vita complessa •Entrambe pongono dei limiti nello spazio e nel tempo per l’esistenza dei paineti abitabili •La zona galattica di abitabilità ha limiti che possono variare a causa dello scatter di metallicità ad un dato periodo ed ad un dato tempo Teniamo presente che il contesto galattico ha importanza nella abitabilità Sopravvivenza della vita complessa •Eventi transienti: Supernovae, gamma ray burst e outburst del nucleo galattico •Impatti di comete dovuti alla perturbazione della nube di Oort da stelle vicine, nubi molecolari giganti e effetti galattici di marea. Evoluzione nel tempo del tasso di supernovae. Timmes et al. (1995) Variazione radiale di Supernovae Data from Case and Bhattachrya (1998) 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.
