О возможных атмосферах экзопланет

Пройдет еще несколько десятков лет, и человечество начнет исследовать экзопланеты так же, как исследовало планеты Солнечной системы до начала космической эры. Рано или поздно, но будут созданы космические телескопы со сверхдлинной базой, позволяющие непосредственно наблюдать экзопланеты и (в том числе) изучать их атмосферы. Сравнительная планетология сможет строиться не только на основе изучения 9 планет Солнечной системы и наиболее крупных спутников планет-гигантов, но получит в свое распоряжение несравненно более богатый наблюдательный материал. Ну а пока это дело будущего, хочется понять, насколько свойства этих планет могут быть предсказаны заранее, исходя из самых общих соображений.
Например, что можно сказать об атмосферах еще не открытых планет? Упростим себе задачу. Рассмотрим сначала гипотетические планеты, вращающиеся вокруг звезды, подобной Солнцу (главная последовательность, солнечное содержание тяжелых элементов, спектральный класс F-G-K, возраст несколько миллиардов лет). Каковы могут быть их атмосферы, учитывая их массы и расстояния от звезды?
Понятно, что само существование атмосферы у планеты и ее состав сильнейшим образом зависит от соотношения между скоростью убегания данной планеты и средней тепловой скоростью газов, составляющих ее атмосферу. Проще говоря, чем жарче вокруг, тем труднее планете удержать свою атмосферу и тем из более тяжелых газов она будет состоять. На мой взгляд, малые планеты-гиганты в Солнечной системе (Уран и Нептун) имеют почти солнечный состав своих атмосфер только потому, что расположены далеко от Солнца и смогли удержать водород и гелий из протопланетного диска. Находись тот же Уран на орбите Меркурия, он выглядел бы совершенно иначе и имел бы совсем другой состав атмосферы.
Итак, начнем с планет малых масс. Глядя на Луну и Меркурий, практически лишенных атмосферы, можно сделать вывод, что у планет земного типа, расположенных на расстояниях планет земной группы (0,4 - 2 а.е.), но имеющих массу меньше примерно 5 лунных масс, атмосферы не будет вовсе. У небольших планет, имеющих массу 5-20 лунных масс (сюда попадает и Марс), атмосфера скорее всего будет состоять из углекислого газа. Почему? Все планеты земной группы (включая Луну) проходили в своей эволюции период развитого базальтового вулканизма. Основываясь на изучении земных вулканов, можно заключить, что основным компонентом вулканических газов является вода и углекислый газ. Углекислый газ - сравнительно тяжелый газ (молекулярная масса 44), что облегчает его удержание планетой небольшой массы. В качестве примеси к углекислому газу такая атмосфера может содержать немного аргона (молекулярная масса 40), азота (м.м. 28), кислорода (за счет разрушения молекулы углекислого газа ультрафиолетовым светом звезды) и паров воды.
Рассмотрим планету примерно земной массы, такую как Земля или Венера. Глядя на состав вулканических газов, гораздо легче понять образование мощной углекислотной атмосферы Венеры, чем сравнительно тонкой преимущественно азотной атмосферы Земли. Заметим, что и у Марса, и у Венеры примесь азота к углекислому газу составляет 3-5%. Видимо, существовавший когда-то углекислый газ из ранней земной атмосферы куда-то делся, и в общем-то ясно куда - в образование мощного осадочного чехла из карбонатов. Если все карбонаты, находящиеся в земной коре, разложить с образованием углекислого газа, атмосфера Земли должна сильно напомнить венерианскую (с той разницей, что в ней будет также много паров воды, тогда как атмосфера Венеры очень сухая). Итак, по-видимому, планеты земной группы должны иметь (в зависимости от массы) разреженную или мощную углекислотную атмосферу.
Возможно, эта зависимость от массы не однозначная, и для планеты земной группы одинаковой массы возможны два варианта состояния атмосферы: мощная углекислотная с сильным парниковым эффектом, или сравнительно тонкая, которая получается, если из углекислотной атмосферы вычесть собственно углекислый газ (т.е. состав такой: азот, аргон, чуть-чуть кислорода и пары воды). Заметим, что если из атмосферы Венеры убрать весь углекислый газ, она станет азотной с давлением у поверхности около 3 атмосфер. Хорошо бы понять, возможен ли переход от одного варианта атмосферы к другому и насколько легко это происходит...
Замечу в скобках, что если бы Солнечной системе повезло чуть больше, и Марс оказался бы на орбите Венеры, а Венера - на орбите Марса, то сейчас мы имели бы три планеты, пригодные к заселению. Марс на орбите Венеры по-прежнему оставался бы каменистой пустыней, но пустыней теплой, с атмосферным давлением, в несколько раз большим, чем теперь (та углекислота, что зимой вымерзает на полярных шапках, не вымерзала бы и оставалась в атмосфере). А Венера, находящаяся на орбите Марса, получала бы в несколько раз меньше солнечной энергии и, возможно, не была бы такой душегубкой, как сейчас. Хотя мощная углекислотная атмосфера никуда бы не делась, ее температура могла бы стать поменьше, а часть ее могла бы сконденсироваться в жидкую углекислоту - тройная точка углекислого газа -57С и 5 атмосфер.
Если удалиться дальше от центральной звезды, то возникает несколько вопросов. Насколько химический состав находящихся там планет меняется с расстоянием от центральной звезды? По идее, такие планеты должны состоять из большего количества летучих элементов и льдов и содержать меньше каменных пород (подобно галилеевым спутникам Юпитера). В любом случае на расстояниях больше 2 а.е. и температурах меньше -100С углекислый газ конденсируется в сухой лед и больше не может быть основной атмосферной составляющей. Остаются азот и аргон (они кипят при температурах, соответственно, -196С и -186С). Итак, небольшие планеты, находящиеся на расстоянии 3-10 а.е., могут иметь атмосферу, состоящую из азота и аргона, а также разнообразных примесей. Хорошим примером такой планеты является Титан, спутник Сатурна (состав его атмосферы: азот, аргон, метан, а также продукты фотолиза метана). Хотя масса Титана составляет всего 1,83 лунных массы, он обладает плотной атмосферой с давлением у поверхности 1,6 бар. Значительное атмосферное давление позволяет метану на его поверхности находится в жидком состоянии (хотя бы иногда), и формирует уникальную метеорологию этого небесного тела. Планеты земного типа, имеющие достаточно плотную азотно-аргоновую атмосферу и попадающие в температурный диапазон -165 - 182С (90-108К) могут по своей метеорологии напоминать Землю с ее реками, озерами, океанами и дождями, только вместо круговорота воды там будет происходить круговорот метана и других углеводородов (этан, пропан и др.).
Если двигаться еще дальше от звезды, то температура опускается ниже -200С, и азот, аргон и метан вымерзают на поверхности. Атмосфера становится разреженной, ее давление определяется давлением насыщенных паров соответствующих веществ, находящихся в равновесии с инеем на поверхности планеты. Единственным веществом, которое, с одной стороны, может находиться в газообразном состоянии при таких температурах, а с другой, не улететь в космос, остается неон (температура кипения которого -246С). Небольшие планетки, находящиеся на самой окраине своих звездных систем, могут иметь тонкую атмосферу, состоящую из неона (возможно, с примесью азота).
Насколько холодной может быть планета, сильно удаленная от своей звезды? Заметим, что даже "планеты-шатуны", выброшенные из своих звездных систем и свободно плавающие в диске Галактики, совсем не обязательно будут инертными замороженными снежками. Обладая достаточной массой, они могут иметь плотную атмосферу с развитой метеорологией. Температура межзвездной графитовой пыли в диске Галактики, нагреваемой суммарным излучением звезд, меняется примерно от 25К на расстоянии 5 кпк от центра Галактики до 17К на расстоянии 13 кпк от него (Сурдин, "Рождение звезд"). В окрестностях Солнца эта температура составляет около 20К. Следовательно, внешняя температура удаленной планеты (или планеты-шатуна) никак не может быть меньше этого значения (она может быть больше из-за наличия у планеты внутреннего источника энергии). Температура кипения при атмосферном давлении: гелия - 4К, водорода - 21К. Отсюда следует, что удаленные или свободно плавающие планеты-гиганты (даже малые гиганты массами 15-20 масс Земли) удержат свои водородно-гелиевые атмосферы от вымерзания.
В Солнечной системе отсутствуют планеты с массами, промежуточными между массами планет земной группы и малых планет-гигантов (т.е. планеты с массами в 3-10 земных). И мы не знаем, как ведут себя малые планеты-гиганты на близких к звезде орбитах. С одной стороны, такие близкие планеты должны формироваться из литофильных элементов и железа, а не льдов с добавкой силикатов, как это предполагается для Урана и Нептуна. С другой стороны, не исключена миграция планеты-гиганта из зоны формирования значительно ближе к звезде за счет гравитационного взаимодействия с планетезималями и крупными кометами, оставшимися от протопланетного диска, которые по закону сохранения энергии, наоборот, выбрасываются во внешнюю зону планетной системы, формируя там пояса астероидов.
Рассмотрим первый вариант. Если малый гигант (для определенности примем его массу в 15 земных) сформировался на близкой к звезде орбите, он будет состоять из литофильных элементов (проще говоря, силикатов и прочих каменных пород) и железа. Его атмосфера будет мощной, но значительно тоньше атмосферы планет-гигантов, и занимать лишь малую долю планетного радиуса. Такая планета будет иметь крупное железное ядро с сильным магнитным полем, удержит значительное количество радиоактивных элементов, которые это ядро нагреют, а значит, будет обладать сильной вулканической активностью. Представляется такая помесь Венеры и Ио: множество активных вулканов, лавовые поля, разломы, движения плит - и все это в багровом сумраке под плотной раскаленной атмосферой, затянутой многокилометровыми облаками. Водород и гелий из такой атмосферы улетят, метан и аммиак провзаимодействуют со свежей лавой и мощным ультрафиолетовым излучением звезды и тоже практически исчезнут (хотя могут присутствовать в атмосфере в виде примесей), и что останется? Вода, которая при больших температурах будет газом, азот, аргон, углекислый газ, соединения серы (сернистый газ и серная кислота)? И все это затянуто облаками из серной кислоты и вулканического пепла...
Также интересен другой вариант: планета с массой Урана или чуть меньше на земной орбите. Если честно, я даже не представляю, как аккуратно (и при этом, не опираясь на аналогии) рассчитать метеорологию и химический состав такой планеты. Но мне кажется, что она будет обладать мощной гидросферой с растворенными в ней газами и солями. Раз гидросфера, то углекислого газа в атмосфере не будет, не будет и сильного парникового эффекта, им создаваемого. А будет довольно плотная (возможно, несколько десятков или сотен атмосфер) атмосфера из азота и инертных газов (не только аргона, но и неона, захваченного из протопланетной туманности) с многочисленными примесями, и глобальный океан. Вполне возможно, что над поверхностью этого океана не будет подниматься ни один остров, а глубина его составит сотни километров...