¿Los objetos celestes deben ser grandes para tener agua líquida en sus superficies?

El agua líquida no puede existir en el vacío. Si no hay presión, el punto de ebullición descenderá hasta el punto de congelación y habrá hielo o vapor de agua.

Y si el mundo es "pequeño", entonces su gravedad no se aferrará al vapor de agua y se perderá en el espacio. La Tierra puede tener agua líquida porque su gravedad es lo suficientemente fuerte como para retener el vapor de agua y proporcionar presión de vapor para elevar el punto de ebullición a 100 grados, que es más caliente que la temperatura debido al sol.

Un mundo pequeño puede tener una capa de agua debajo de la superficie, ya que el hielo que se encuentra encima evitará que el agua se evapore al espacio. Encelado tiene esa capa, pero si Encelado fuera una luna de la Tierra, el sol habría derretido el hielo y el agua se habría evaporado hace mucho tiempo.

¿Los objetos celestes deben ser grandes para tener agua líquida en sus superficies?

Sí.

En pocas palabras: el agua superficial líquida necesita una atmósfera. Para sostener una atmósfera, un planeta debe ser lo suficientemente masivo, por lo tanto, lo suficientemente grande. Cuanto más cálido es un planeta, más masa necesita para mantener una atmósfera. Por lo tanto, un planeta lo suficientemente cálido para agua líquida también debe ser lo suficientemente grande como para sostener la atmósfera para que esta agua superficial líquida sobreviva.

El agua líquida solo puede existir si la presión es superior a 612 Pa. El punto de ebullición depende de la presión. A una presión de 101 kPa, como en las condiciones medias del nivel del mar en la Tierra, el punto de ebullición es de 373 K (100 °C). A una presión de 34 kPa (promedio en la cumbre de Sagarmatha/Monte Everest), el punto de ebullición es de 71 °C:

Fuente: Cmglee, Wikimedia Commons

Para que exista agua líquida en la superficie, debe existir una atmósfera suficientemente espesa para proporcionar esta presión. Podría ser un poco más delgado que en la Tierra, pero si es demasiado delgado, el agua podría hervir con demasiada facilidad.

Marte tiene una presión superficial promedio de 636 Pa en promedio, lo que significa que, en teoría, el agua líquida apenas podría existir, pero solo cuando la temperatura es casi exactamente de 273 K (0 °C). Un grado más frío y se congelará, un grado más caliente y hervirá. En realidad, la temperatura de la superficie en Marte es en promedio de 210 K. La presión en Marte depende de la ubicación, pero para los futuros colonos de Marte, debería ser un desafío divertido tratar de ver cuánto tiempo pueden hacer que el agua líquida sobreviva (calentada, pero sin presión) en algunos de sus puntos más bajos!

Para retener una atmósfera, un planeta debe tener suficiente gravedad. Si no hay suficiente gravedad, la mayor parte de la atmósfera se desplazará hacia el espacio debido a los efectos térmicos (velocidad térmica molecular superior a la velocidad de escape, véase más abajo), el escape del viento solar (partículas cargadas que empujan contra la atmósfera) y otros efectos (más pequeños). ) efectos. Peor aún, no sólo se pierde la mayor parte de la atmósfera si un planeta es demasiado pequeño, sino que las especies más ligeras, como el agua, se pierden más fácilmente que, por ejemplo, el dióxido de carbono. Entonces, no solo la gravedad debe ser suficiente para retener una atmósfera, sino que debe ser suficiente para retener el agua específicamente. La única forma de contrarrestar o prevenir las pérdidas en el espacio es la gravedad suficiente (reducción de pérdidas) o un nuevo suministro constante. El tamaño que debe tener un planeta para retener una atmósfera depende de la temperatura:

Fuente: Cmglee, Wikimedia Commons

Para tener suficiente gravedad, un planeta debe tener suficiente masa. Para tener suficiente masa, debe ser lo suficientemente grande. ¿Qué tan grande es "suficientemente grande"? Eso depende de la temperatura. Titán es bastante pequeño, pero también muy frío. A temperaturas lo suficientemente cálidas como para mantener el agua, un planeta podría ser un poco más pequeño que la Tierra, pero no mucho. Marte es demasiado pequeño. Aunque un planeta del tamaño de Marte a una temperatura similar a la de la Tierra teóricamente podría retener una atmósfera similar a la de Titán compuesta principalmente de nitrógeno durante un tiempo (estaría cerca, siendo un poco más grande sería más seguro), aún así perdería su agua con el tiempo. .

Para tener un suministro nuevo constante, un planeta o una luna necesitaría vulcanismo. Para sostener el vulcanismo, un planeta necesita un suministro de calor interno, para lo cual también necesita suficiente masa, al menos para sostener este largo plazo. Una luna también puede obtener energía de un planeta para sostener el vulcanismo. Tal vez un híbrido más cálido entre Io fuertemente volcánico y Encelado con criovolcanes alrededor de un hipotético planeta extrasolar podría sostener una atmósfera altamente dinámica, incluso si normalmente sería demasiado pequeña según el diagrama anterior. Sin embargo, eso podría ser poco probable; en el caso de Io, la misma fuente de energía que alimenta el vulcanismo también elimina la atmósfera (e Io tiene la menor cantidad de agua de cualquier parte del sistema solar). En cualquier caso, la única luna con una atmósfera significativa en nuestro sistema solar es Titán., que también es el cuerpo más pequeño del sistema solar con atmósfera. Hace mucho frío a 94 K; si estuviera lo suficientemente caliente como para contener agua líquida, perdería su atmósfera.

Tal vez un planeta muy joven podría ser bastante pequeño, aún vulcanicamente activo, y aún así mantener suficiente atmósfera para permitir la expansión del agua superficial líquida. Tampoco existen tales planetas en el sistema solar, pero podría ser concebible para un planeta extrasolar. Sin embargo, para cualquier planeta de una edad significativa, solo la masa, por lo tanto, solo el tamaño, ayudará.

El tamaño sí importa.

La respuesta de Gerrit ha hecho un excelente trabajo al mostrar que (1) hay un conjunto estrecho de temperaturas y presiones donde existe agua líquida y (2) un planeta tiene que ser bastante grande para tener suficiente gravedad para mantener el agua en la atmósfera. Sin embargo, quería mencionar esto:

Sin embargo, las condiciones requeridas para el agua líquida pueden extenderse mezclándola con otras especies químicas.

La sal a menudo se vierte en las carreteras en el invierno para derretir el hielo, lo cual es efectivo porque el agua salada tiene un punto de congelación más bajo y un punto de ebullición más alto (y es termodinámicamente más estable) que el agua líquida pura. Por ejemplo, el agua de mar se congela a 271 K (28 °F), que es inferior al punto de congelación del agua pura, 273 K (32 °F). El refrigerante de los automóviles generalmente contiene agua con etilenglicol agregado para reducir el punto de congelación y elevar el punto de ebullición.

Esta cifra de Cynn et al. muestra que una mezcla de 63 % de agua más 37 % de amoníaco permite que exista agua líquida hasta 180 K, aunque es difícil saber dónde podría estar el corte de presión a esta temperatura a partir de este gráfico. El corte de presión disminuye la temperatura, por lo que ciertamente está por debajo de 100 kPa. Es posible que pueda mantener mezclas líquidas de agua y amoníaco a bajas temperaturas y presiones en la superficie de cuerpos del tamaño de Marte o más pequeños.

Se cree que las mezclas de agua y amoníaco están presentes debajo de la superficie de muchos cuerpos en el sistema solar exterior, incluidos Titán , Plutón , Caronte y Ganímedes . El criovulcanismo basado en erupciones de mezclas líquidas de amoníaco y agua puede ser más común que no entre los satélites terrestres más allá de Marte.