¿Qué tan crítico es para la vida que un planeta permanezca dentro de la zona habitable en todo momento?

Esta pregunta ha sido abordada por algunos estudios en la última década. Estos estudios ejecutaron modelos climáticos para planetas con órbitas excéntricas. Conozco tres artículos científicos sobre el tema (soy coautor de uno): aquí , aquí y aquí .

La respuesta simple es: lo que importa ante todo es el flujo medio que recibe un planeta a lo largo de su órbita. El flujo promedio de la órbita$F$escalas con la excentricidad orbital$e$y semieje mayor a como$F\sim a^{-2} (1-e^2)^{-1/2}$. Necesita una gran excentricidad para que marque una gran diferencia en el clima (por ejemplo, para una excentricidad de 0,5, el aumento en el flujo promedio de la órbita es solo del 15%, fácilmente compensado aumentando el semieje mayor del planeta en una pizca):

Para un planeta en una órbita excéntrica, hay un verano corto y caluroso y un invierno largo y frío. Pero la mayoría de las escalas de tiempo climáticas relevantes son mucho más largas que el tiempo orbital, por lo que solo importa el flujo promedio de la órbita. Este gráfico muestra el flujo promediado en órbita (curva azul), la proporción de afelio a perihlion dmax/dmin (curva verde) y la proporción de flujo recibido en peri-vs apo (curva roja).

Para su información, una vez escribí una publicación de blog sobre exactamente este tema: https://planetplanet.net/2014/10/06/real-life-sci-fi-worlds-1-the-eccentric-earth/ y hay muchos detalles interesantes Mi favorito fue que imaginamos (y realizamos simulaciones climáticas de) un planeta en una órbita muy extendida que también estaba inclinada sobre su eje de giro. El planeta terminó siendo una bola de hielo global, excepto en el punto que recibió el pulso de calor más fuerte del Sol, en este caso en el polo sur, que se descongeló durante aproximadamente un mes al año. Aquí hay una ilustración (blanco = congelado, azul = justo por encima del punto de congelación).

Para su información, hay otra situación interesante en la que la excentricidad orbital de un planeta cambia con el tiempo debido a las interacciones gravitatorias con otros planetas del sistema. Si está interesado, consulte aquí: https://planetplanet.net/2014/10/08/real-life-sci-fi-worlds-3-the-oscillating-earth/

En esa nota, en una simulación de formación de planetas rocosos, una vez produje un par de planetas que se extendían a ambos lados de la zona habitable pero que intercambiaban excentricidad de tal manera que se turnaban para tener excursiones fuera de la zona habitable. FYI, en esta imagen, el tiempo 2 es de aproximadamente 20,000 años después del tiempo 1 (detalles sobre esa simulación aquí o aquí ).

No estoy (al menos todavía) dando una respuesta completa, pero debe tener en cuenta lo siguiente:

1. Atmósfera

El papel de una atmósfera es muy importante. Una atmósfera densa provoca un calentamiento y enfriamiento más lento, por lo que la zona de confort no es la misma para un planeta similar a Venus que para un planeta similar a Marte. Más aún si tienes efecto invernadero o un albedo muy alto (o ambos).

2. océanos

Los océanos también son importantes "piscinas de calor", que mantienen al planeta un poco más frío o un poco más caliente.

3. Fuentes de calor internas

Tener volcanes alrededor ciertamente ayuda durante el tiempo frío.

4. Velocidad orbital

El movimiento orbital es mucho, mucho más rápido si el cuerpo está cerca de la estrella. Si el planeta debe recorrer la misma distancia dentro del borde más caliente de la zona de confort que fuera del borde más frío, el tránsito por el extremo abrasador será muy, muy rápido, mientras que el tránsito por la zona helada será muy lento. Así que puedes aproximarte a la estrella más de lo que inicialmente pensabas, ya que estarás allí por un tiempo realmente corto.

Se trata de la masa térmica.

En última instancia, esta pregunta se refiere a cuánto tiempo tarda la vida en morir fuera de las condiciones "ideales" en las que prospera. Como se ha descrito en otras respuestas, hay una amplia gama de condiciones que afectan esto. Sin embargo, en última instancia, la masa térmica es lo que marca la diferencia.

Entonces, ¿qué es la masa térmica?

A los efectos de esta respuesta, podemos describirlo como cualquier masa que tiene la capacidad de absorber y retener calor cuando está más fría que el entorno, y lo expulsa durante un período prolongado cuando la masa está más caliente que su entorno.

En la Tierra, tenemos los océanos y nuestra atmósfera. La atmósfera retiene mucho calor (gracias a los gases de efecto invernadero) y lo atrapa cerca de la superficie. El caso es que la atmósfera no es una masa térmica especialmente buena. Es por eso que existen diferencias de temperatura entre la noche y el día.

Dicho esto, el agua hace un trabajo mucho mejor. Si vive en la costa, sabrá que la diferencia entre las temperaturas diurnas y nocturnas no es tan grande como la diferencia entre el día y la noche tierra adentro, especialmente en los desiertos. ¿Por qué? Bueno, el agua en la costa retiene gran parte del calor durante el día y la atmósfera se beneficia de eso en una forma de liberación retardada.

SCUBA Divers le dirá que las temperaturas en mayo (hemisferio sur) todavía son bastante cálidas porque el calor del verano aún no ha abandonado completamente el agua.

Asi que; si tienes una gran cantidad de agua en tu planeta, te irá mejor que si no la tuvieras. Algunas medidas de gases de efecto invernadero son necesarias, pero causarán problemas cuando esté demasiado cerca del sol. Como se dijo en otras respuestas, es la parte demasiado cercana con la que tendrá los mayores problemas, especialmente si tiene gases de efecto invernadero en la atmósfera para retener el calor. El océano ayudará a absorber parte de ese calor, pero aún querrás protegerte de él durante esa parte de la órbita.

También querrá una atmósfera alta en O2 si es posible. ¿Por qué? Porque desea que el sol extremo produzca grandes cantidades de ozono (O3) durante los períodos cálidos para ayudar a bloquear la radiación cósmica. El ozono es particularmente útil aquí como apoyo al campo magnético del planeta, ya que se basa en la temperatura y se produce naturalmente cuando más se necesita; en días calurosos (en este caso más cerca del sol)

Aunque no todo son buenas noticias. La masa térmica puede igualar los extremos, pero aún necesita una vida bastante diversa capaz de una variación de temperatura muy amplia.

Los mamuts lanudos (como ejemplo) se sobrecalentarían en nuestro clima actual. Muchos animales en la Tierra están adaptados a climas cálidos o climas fríos. La variación (ciclos lunares, día/noche, estaciones, etc.) impulsa muchos de los procesos que permiten que la vida crezca y prospere, pero las variaciones no pueden ser demasiado grandes, de lo contrario, el animal o la planta necesita adaptaciones simultáneas pero contradictorias para sobrevivir. . A los cactus no les va bien en climas tropicales, por ejemplo. REALMENTE no les va bien en el ártico. Los osos polares lucharían en México; tienes la idea general.

Es posible que su vida encuentre formas de evitar esto, y ciertamente la vida acuática es mucho más posible en este escenario, pero eso lleva a otra consideración; corrientes oceánicas.

La mayor parte de la vida oceánica en la Tierra existe debido a las corrientes submarinas que se han estabilizado durante algún tiempo. Estos traen plancton y otras criaturas a través de zonas establecidas, donde los animales más grandes se alimentan de ellos, donde los animales aún más grandes se alimentan de ellos , etc. Esto crea patrones de alimentación confiables en los océanos del mundo, lo que significa que la vida se especializa en explotar ese patrón y la diversidad está asegurada. Con las enormes variaciones de temperatura que estás describiendo, es posible que esos patrones de alimentación no ocurran y el clima sea más caótico.

Una de las razones por las que Neptuno (por ejemplo) parece tener vientos que rasgan su superficie a una velocidad increíble y sin efectos de Coriolis aparentes es que está muy lejos del sol. Se está introduciendo muy poca energía en su sistema planetario, por lo que cuando comienza el viento, hay muy poco para detenerlo.

Su planeta, por otro lado, recibe descargas (intermitentes) constantes de grandes cantidades de energía en sus depósitos atmosféricos y de agua. Es probable que eso cree todo tipo de caos en el clima, las corrientes, etc.

Esto no hace la vida imposible, pero sí la hace difícil. La comida se vuelve menos predecible. Como resultado, las tasas de natalidad se vuelven más bajas.

¿Es posible la vida en un planeta así? Claro, dadas las consideraciones correctas de masa térmica. ¿Es la vida tan posible que es probable que la vida inteligente pueda evolucionar? No, me temo que no.

Realmente no pasamos mucho tiempo pensando en eso, pero somos increíblemente afortunados de tener este planeta. Es como ganar la lotería cientos de miles de veces seguidas. Incluso entonces, las condiciones no son siempre (y ciertamente no siempre lo han sido) ideales. En este mundo que estás describiendo, las posibilidades de que evolucione la vida inteligente se reducen en virtud del hecho de que la vida no prosperará como lo hace en la Tierra. Podría ser un sitio de colonización razonable, pero sospecho que no vamos a encontrarnos con nuestros iguales allí.

Sospecho que el problema que tendrá su hipotético planeta es menos por el tiempo fuera de la zona habitable y más por el tiempo que el planeta pasa cerca de su perigeo (punto más cercano). La vida es extremadamente resistente y capaz de adaptarse a algunos de los entornos más extremos . De hecho, incluso se encontraron microbios viviendo en el exterior de la ISS . Entonces, la vida probablemente podría resistir un breve período fuera de la zona habitable.

Por otro lado, a medida que el planeta se acerca a su punto más cercano en relación con el sol, es probable que la temperatura suba y el medio ambiente cambie drásticamente. Una cosa es adaptarse a un ambiente muy frío o muy cálido, y otra tener que adaptarse a ambos.

Un enfoque más factible sería una órbita más ovalada donde dos veces por ciclo pasa un período corto fuera de la zona habitable y su perigeo no está tan cerca del sol como para que el entorno se vea obligado a cambiar radicalmente. También esperaría que la vida prosperara más en refugios subterráneos donde los cambios de temperatura en la superficie tienen un impacto insignificante.

Veo algunas posibilidades:

• Necesitaría vida que pueda permanecer inactiva por un tiempo y luego reactivarse sin daño.
• Tienes vida que muere pero produce semillas o esporas que comienzan a vivir de nuevo cuando las condiciones son las adecuadas. No esperaría que se desarrollara vida inteligente aquí.
• Tienes vida que está bajo tierra. Tenemos microbios tan subterráneos que no se ven afectados por la temperatura de la superficie.

Creo que es más probable que se desarrolle el primero, a menos que la vida se desarrolle en otro lugar y de alguna manera llegue a este planeta o un encuentro cercano con otro planeta cambie su órbita y se desarrolle la vida que sobrevivió.