Estoy de acuerdo con la evaluación de Tim B de que esta es una pregunta complicada. Sin embargo, no estoy de acuerdo en por qué este es el caso. Las características de la estrella están bien definidas, dado que es un análogo solar. A partir de esto, inmediatamente tenemos masa, luminosidad y otras características. Sin embargo, la razón por la que creo que esta no es una pregunta simple es que hay muchos modelos contradictorios de los efectos de los diferentes gases de efecto invernadero y de la zona habitable circunestelar. He intentado elegir las mejores, pero son solo aproximaciones; el destino exacto de Epimeteo requerirá un pensamiento más profundo.

El efecto invernadero

^{Descargo de responsabilidad: esta sección es principalmente mía lidiando con un tema con el que no estoy muy familiarizado.}

Forzamiento radiativo

Comenzaré asumiendo que la fuente principal del calentamiento atmosférico proviene del forzamiento radiativo debido a los diversos gases de efecto invernadero en la atmósfera. El forzamiento radiativo es la diferencia entre la cantidad de luz solar absorbida por un planeta y la cantidad de luz solar emitida de vuelta al espacio. La diferencia entre absorción y emisión se debe principalmente a la atmósfera.

El forzamiento radiativo provoca un cambio en la temperatura de la superficie, que es proporcional al forzamiento radiativo:

$$\Delta T_s=\lambda\Delta F\tag{1}$$ dónde $T_s$es la temperatura superficial, $\Delta F$es el forzamiento radiativo, y $\lambda$es la sensibilidad climática del planeta. ¹ para la tierra, $\lambda\approx0.8$, y sin datos más detallados sobre Epimeteo, tendré que suponer que es más o menos lo mismo allí.

Cada gas de efecto invernadero contribuye de manera diferente al forzamiento radiativo. El Segundo Informe de Evaluación del IPCC ^{2, 3} proporciona un cuadro (Tabla 6.2) de aproximaciones de expresiones para las contribuciones de forzamiento radiativo de varios de los principales gases de efecto invernadero (CO ₂ , CH ₄ , N ₂ O, CFC-11 y CFC-12) :

$$\begin{array}{|c|c|c|} \hline \text{Trace Gas} & \text{Simplified Expression} & \text{Constants}\\& \text{Radiative Forcing, }\Delta F \left(\text{Wm}^{-2}\right)\\ \hline \text{CO}_2 & \Delta F=\alpha\ln\left(\frac{C}{C_0}\right) & \alpha=5.35\\\text{} & \Delta F=\alpha\ln\left(\frac{C}{C_0}\right)+\beta\left(\sqrt{C}-\sqrt{C_0}\right) & \alpha=4,841,\beta=0.006\\\text{} & \Delta F=\alpha(g(C)-g(C_0) & \alpha=3.35\\ \hline \text{CH}_4 & \Delta F=\alpha(\sqrt{M}-\sqrt{M_0})-(f(M,N_0)-f(M_0,N_0)) & \alpha=0.036\\ \hline \text{N}_2\text{O} & \Delta F=\alpha(\sqrt{N}-\sqrt{N_0})-(f(M_0,N)-f(M_0,N_0)) &\alpha=0.12\\ \hline \text{CFC-11} & \alpha(X-X_0) & \alpha=0.25\\ \hline \text{CFC-12} & \alpha(X-X_0) & \alpha=0.32\\ \hline \end{array}$$ Las dos funciones están dadas por $$g(C)=\ln(1+1.2C+0.005C^2+1.4\times10^{-6}C^3),$$ $$$f(M,N)=0.47\ln(1+2.01\times10^{-5}(MN)^{0.75}+5.31\times10^{-15}M(MN)^{1.52})$$ $C$, $M$, $N$, y $X$indican las concentraciones de CO ₂ , CH ₄ , N ₂ O y los CFC, respectivamente; el subíndice $_0$denota una concentración de referencia. Todos los gases se dan en partes por mil millones, excepto el CO ₂ , que se da en partes por millón.

El forzamiento radiativo total es la suma de las contribuciones de cada gas de efecto invernadero. Si la atmósfera está compuesta principalmente de dióxido de carbono, entonces, utilizando la aproximación de primer orden:

$$\Delta T_s=\lambda\times5.35\times\ln\left(\frac{C}{C_0}\right)\tag{2}$$ Es fácil ver a partir de esto que duplicar la concentración, por ejemplo, conduce a un aumento de temperatura de aproximadamente 3°C.

Diferentes modelos y mecanismos de retroalimentación.

Antes de continuar, debo abordar mi elección de ecuaciones. Algunos argumentarían que sería mucho más simple e intuitivo usar el modelo de invernadero idealizado ⁴ (otra aplicación del forzamiento radiativo), que se puede derivar de la ley de Stefan-Boltzmann y algunas otras suposiciones. De hecho, después de explorar algunos de los cálculos anteriores, comencé a preguntarme lo mismo, porque el modelo de invernadero idealizado se puede ajustar para producir diferentes efectos de calentamiento simplemente cambiando un parámetro: la emisividad,$\varepsilon$.

Eventualmente decidí trabajar con la tabla original del IPCC porque nos permite jugar un poco con los gases específicos. Puedo atacar el problema de manera bastante específica directamente desde las concentraciones, en lugar de tener que descifrar el engañosamente simple$\varepsilon$. Otro lugar donde el modelo del IPCC tiene una ventaja es a través de los mecanismos de retroalimentación , que es lo que exploraré a continuación.

El efecto invernadero desbocado es quizás mejor conocido por sus efectos drásticos en Venus, convirtiendo lo que alguna vez fue un mundo similar a la Tierra en un infierno increíble. Lo que sucedió fue que el dióxido de carbono y el vapor de agua comenzaron a calentar el planeta (sí, el H ₂ O también es un gas de efecto invernadero, y uno importante). El vapor de agua alteró el equilibrio lo suficiente como para que los océanos que alguna vez cubrieron parte del planeta comenzaron a evaporarse, creando más vapor de agua, lo que intensificó cada vez más el problema.

Hay otros tipos de mecanismos de retroalimentación en funcionamiento en la Tierra, que involucran dióxido de carbono, gases de efecto invernadero que se liberan del permafrost, cambios en el albedo por el derretimiento del hielo y mucho más. Sin embargo, la dominante sigue siendo la retroalimentación del vapor de agua , que en realidad es más importante que el CO ₂ . El vapor de agua por sí solo puede duplicar los efectos del calentamiento, según el IPCC y otros modelos, y luego puede ayudar a iniciar otras vías de retroalimentación que causarán más daños.

La razón por la que no podemos simplemente duplicar nuestro valor de$\Delta T_s$para compensar esto es que$\lambda$ya tiene en cuenta el vapor de agua y los demás mecanismos de retroalimentación. La razón por la que dije que el modelo IPCC tiene una ventaja aquí es que todos los mecanismos de retroalimentación se pueden codificar en el parámetro, que describe el planeta como un todo.$\varepsilon$en realidad sólo describe una parte de la atmósfera.

Poniendolo todo junto

El argumento anterior muestra que nuestra aproximación de primer orden puede darnos una aproximación razonable de los cambios de temperatura, dada una temperatura adecuada.$\lambda$. Es cierto que habrá que ajustar este valor; modelos de la Tierra usan diferentes$\lambda$s. Sin embargo, si asumimos que Epimeteo es más o menos como la Tierra, con la excepción de la gran concentración de CO ₂ , entonces no tenemos que cambiar mucho.

La Zona Habitable

De hecho, creo que definir dónde está la zona habitable circunestelar sin tener en cuenta las características de Epimeteo es más desafiante que modelar su atmósfera. La razón de esto es que los modelos de los radios interior y exterior de la zona habitable del Sistema Solar difieren, como muestra un rápido vistazo a Wikipedia . Las estimaciones internas oscilan entre 0,75 AU y 0,99 AU, mientras que las estimaciones externas oscilan entre 1,01 AU y 3,0 AU. Entonces, ¿cuál usamos?

En su lugar, voy a hacer referencia a Kasting et al. (1993) , porque, si bien puede estar un poco desactualizado, basa sus conclusiones principalmente en los efectos del clima, que obviamente juegan un papel importante en la situación actual.

Los autores se basan en algo llamado ciclo de carbonato-silicato . La reacción total importante está en su Ecuación 3:

$$\text{CaSiO}_3+\text{CO}_2\to\text{CaCO}_3+\text{SiO}_2\tag{3}$$ En la versión biótica ⁵ , los organismos usan CO ₂ para crear caparazones, que luego se entierran en el lecho marino; La ecuación 3 da la reacción neta. Eventualmente, el metamorfismo del carbonato invierte la reacción, devolviendo el CO ₂ a la atmósfera. Esto actúa para mantener el clima de un planeta en la zona habitable en una especie de equilibrio, porque, como he discutido antes, el dióxido de carbono juega un papel importante en la regulación de la temperatura de la superficie.

La razón por la que esta reacción conduce al equilibrio es que tanto la biótica como la abiótica (generalmente involucrando la meteorización, principalmente del agua líquida) requieren agua líquida. Sin agua líquida, los niveles de dióxido de carbono aumentan, derritiendo el hielo y restaurando los niveles de agua líquida y, con ellos, el equilibrio.

Este ciclo determina el borde exterior de la zona habitable porque a temperaturas lo suficientemente bajas, el CO ₂ puede condensarse y formar nubes. Luego, las nubes alteran el albedo del planeta al reflejar cantidades sustanciales de radiación solar, enfriando drásticamente el planeta. Además, el calor latente amplifica aún más el efecto invernadero. Los autores utilizan esto para estimar un límite exterior conservador de aproximadamente 1,77 AU, suponiendo cantidades no despreciables de gases de efecto invernadero.

Luego, los autores crearon un modelo climático más complicado y detallado utilizando diferentes masas planetarias. Descubrieron que el efecto invernadero podría permitir que la zona habitable se extendiera a aproximadamente 1,67 AU para un planeta de una masa terrestre, y a aproximadamente 1,64 AU para un planeta diez veces esa masa. Estos límites exteriores tienen en cuenta versiones del forzamiento radiativo, pero están limitados por la formación de nubes de CO _{2 .} Los cálculos de los autores indican que Epimeteo debería residir en algún lugar de esa vecindad, como máximo.

Algunas cosas a tener en cuenta: - Los modelos de los autores ignoran la formación y los efectos de las nubes, como dicen. - Los niveles drásticamente altos de CO ₂ en Epimetheus darán como resultado diferentes presiones parciales, lo que significa que el borde exterior se verá afectado. - Los niveles de CO ₂ pueden verse afectados por la cantidad almacenada en la corteza.

Dicho esto, los modelos más nuevos han replicado los resultados de Kasting et al. Kopparapu (2013) obtuvo un resultado casi idéntico para el borde exterior, suponiendo también los efectos de invernadero y con modelos parcialmente basados ​​en los más antiguos.

Conclusión

Podemos hacer algunas aproximaciones básicas de los cambios de temperatura si elegimos los valores correctos para varias constantes y usamos modelos simples de forzamiento radiativo, principalmente de CO ₂ , pero teniendo en cuenta la retroalimentación del vapor de agua. De hecho, podemos hacer esto con cualquier gas de efecto invernadero, pero estos dos son los principales culpables.

De hecho, el dióxido de carbono también resulta ser un buen indicador del límite exterior de la zona habitable, porque las temperaturas más bajas provocan la condensación de CO ₂ , incluso teniendo en cuenta el efecto invernadero. Podemos colocar un límite exterior en la órbita de Epimeteo en algún lugar alrededor de 1,67 AU, suponiendo una atmósfera similar a las investigadas por Kasting et al.

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^{1 Tenga en cuenta que esto no es lo mismo que la sensibilidad climática de equilibrio (ECS), que actualmente se cree que está alrededor de los 3 °C en la Tierra.
2 La sección vinculada trata sobre el forzamiento radiativo; todos los informes del IPCC (incluido el segundo, de 2001) se pueden encontrar aquí . Las ecuaciones se toman o derivan de Hansen et al. (1988), IPCC (1990), Shi (1992) e IPCC (1999).
3 La primera ecuación para el CO ₂ es la aproximación de primer orden de una serie de Taylor; véase Lam (2007) , al que se hace referencia aquí .
4 Puedes leer más al respecto aquí .
5 Existe, por supuesto, una versión abiótica, que juega un papel más importante en los planetas sin vida o sin vida que pueda llevar a cabo estos procesos.}

No hay una respuesta simple a esto, ya que la distancia a la estrella dependerá del brillo de la estrella. Puedes orbitar una estrella caliente mucho más lejos que una fría y aún así estar en la zona habitable.

También dependerá de factores como la longitud de onda de la radiación entrante y saliente y otras fuentes de calor como la actividad volcánica interna del planeta o incluso el calentamiento de las mareas si está lo suficientemente cerca de otro cuerpo masivo.

Entonces, todo lo que podemos decir con certeza es que los gases de efecto invernadero le permitirán colocar un planeta más lejos del sol y aún tener agua líquida en la superficie.

La Zona Habitable Circumestelar es el término para el área donde eso es cierto. En particular ver esta parte del artículo donde dice:

Dada la gran dispersión en las masas de planetas dentro de una zona habitable circunestelar, junto con el descubrimiento de súper planetas terrestres que pueden sustentar atmósferas más espesas y campos magnéticos más fuertes que la Tierra, las zonas habitables circunestelares ahora se dividen en dos regiones separadas: un "conservador". zona habitable" en la que los planetas de menor masa como la Tierra o Venus pueden permanecer habitables, complementada con una "zona habitable extendida" más grande en la que los planetas súper-Tierra, con efectos invernadero más fuertes, pueden tener la temperatura adecuada para que exista agua líquida en el superficie.

Si busca "teoría de la zona habitable extendida", también encontrará más información sobre el tema. En particular, este artículo parece muy relevante:

http://www.astrobio.net/noticias-exclusivas/efecto-invernadero-podria-extender-la-zona-habitable/

La región distante más allá de Saturno es demasiado fría para el agua líquida, una necesidad para la vida tal como la conocemos. Pero una nueva investigación indica que los planetas rocosos lejos de su estrella madre podrían generar suficiente calor para mantener el flujo de agua, si sus atmósferas estuvieran compuestas principalmente de hidrógeno.

[recorte]

Pero según la investigación de Pierrehumbert, un planeta rocoso con una atmósfera de hidrógeno podría tener una zona habitable que se extienda hasta 1,5 UA para las estrellas M y 15 AU para las estrellas G.

Esto significa que para estrellas similares al Sol, los planetas rocosos más allá del alcance de Saturno podrían contener océanos de agua.