Elinkelpoinen planeetta

Pääartikkeli: Planeettojen pintalämpötilat

Erään määritelmän mukaan ihmiselle elinkelpoisella planeetalla ainakin 10%:lla pinnasta keskilämpötila on välillä 10-30 °C ja muilla alueilla keskilämpötila on aina välillä -10-40 °C.[4] Elämä kukoistaa parhaiten yleensä 25-35 asteessa[5].

Maassa on pääosin niin viileää ja toisaalta lämmintä, että elämä sietää sen lämpötiloja. Lämpötila vaihtelee Maassa vuorokaudenajasta, päivästä, vuodesta sekä leveys- ja pituusasteista riippuen melkoisesti. Maan keskimääräinen pintalämpötila on noin 15 °C, vaikka joskus esiintyy jopa 45 °C helteitä Saharan aavikoilla ja jopa -82 °C pakkasia Etelämantereella. Maassa vesi voi esiintyä nestemäisenä eikä se jäädy laajoilla alueilla. Täysin jäättömän maan ja viime jääkauden tapaisen jääkausitilan ero on keskilämpötilassa 10 °C. Jos keskilämpötila olisi noin -15 - -60 °C astetta, Maa jäätyisi kokonaan. Toisaalta +40 - +45 °C keskilämpötila olisi elämälle merkittävän haitallista.

40 °C:ssä kasvit kuolevat maalta ja 45 °C solujen mitokondrioiden toiminta heikkenee.[6] Lämpötilassa 50 °C lähes kaikki monisoluinen elämä on mahdoton maalla, mutta sitä voi olla merissä, esim. sukkulamatoja ja laakamatoja. 70 °C:ssä maalla elää vain bakteereja ja merissä joitain monisoluisia eliöitä. Kuumissa lähteissä tiedetään elävän joitain yksisoluisia bakteereja ja arkkieliöitä jopa +125 °C:n lämpötilassa.

Jos meren lämpötila on alle 12 °C, merieliöitä on vähän[7] niin kuin suurimmassa osassa eli 80%:ssa[8] maapallon meriä. Yli 10 asteen lämpötilassa meriin muodostuu kerros, joka estää ravinteiden kierron ja levien eläminen meriveden pinnassa. Levien ihannelämpötila on 10 °C. Puut vaativat yli 10 asteen kesälämpötiloja ja niiden ihannelämpötila on 20 °C[9]. Kameli voi elää autiomassa jopa 40 °C ruumiinlämpöisenä[7]. Ihmisen ruumiinlämpö on yleensä 36-39 °C, mutta voi olla hetkellisesti 34-41 °C[5]. Lätäköt kuivuvat nopeasti jos lämpötila on yli 25 °C[8], mikä vastaa hellerajaa.

Jäkälä kasvaa, lisääntyy ja viihtyy vielä -24 °C:n lämpötilassa ja varastoituu itiöksi -100 °C:n lämpötilaan.[10]

Maan pintalämpötilan arvellaan joskus liitukaudella olleen 21-30 °C asteen luokkaa, jääkaudella ehkä 5-9 °C astetta. Erään arvion mukaan prekambrikaudella 3,8 miljardia vuotta sitten keskilämpötila maan pinnalla oli 80 °C, 3,0 miljardia vuotta sitten 70 °C, 2,0 miljardia vuotta sitten 60 °C ja 1,5 miljardia vuotta sitten 40 °C. Maata uskotaan alkuaikoina lämmittäneen hiilidioksidin ja metaanin luoma kasvihuoneilmiö.

Pääartikkeli: Planeettojen kaasukehät

Maan tyyppistä elämää ylläpitävällä planeetalla on oltava kaasukehä, jonka hapen osapaineen on oltava sopivissa rajoissa ja jossa vesi pysyy nesteenä.[11] Planeetan kaasukehässä on oltava happea, typpeä ja hiilidioksidia.

Happi on välttämätön eläimille, mutta kasveille ja monille mikrobeille se on pikemminkin haitallista. Kun elämä maapallolla syntyi, ei ilmakehässä ollut vapaata happea. Kun fotosynteesiin kykenevät syanobakteerit ja kasvit ilmestyivät maapallolle, alkoi ilmakehän happipitoisuus kasvaa, jolloin happea käyttävät kuluttajat, kuten eläimet, pääsivät kehittymään. Typpi estää liian nopeaa hapettumista ja hiilidioksidi on kasvien yhteyttämiselle välttämätön.

Eräiden arvioiden mukaan 10 ilmakehän painetta suurempi paine on eliöille huono asia.

Jos planeetta on maata huomattavasti kevyempi, happi karkaa pois sitä helpommin, mitä lämpimämpi planeetta on. Toisaalta liian massiivisessa planeetassa voi olla hyvin tiheä kaasukehä, joka on jättiläisplaneettojen tapauksessa muuttunut alaosaltaan valtavaksi vety- ja helium-mereksi. Toisaalta raskaan planeetan ilmakehässä voi olla myrkyllisiä kaasuja. Suunnilleen 1,5 maan säteinen/4 Maan massainen terrestrinen planeetta pidättelee maata vastaavalla etäisyydellä vetyä kaasukehässään pitkiä aikoja. Vedyn täytyisi päästä karkaamaan planeetan pinnalta, jotta planeetta olis elinkelpoinen.

Eräiden laskelmien mukaan enin vety ja helium karkaavat pois, jos planeetan säde on luokkaa 0,8-1,15 Maan sädettä, jos planeetan yleinen koostumus vastaa maata[12].

Teoriassa happi ja typpi pysyisivät 0,12 tai jopa 0,07 Maan massaisen planeetan pinnalla.[13][14]

Kaasunpaine vaikuttaa myös kaasumaisten aineiden sulamis- ja kiehumispisteisiin, nämä taas planeetan ilmastoon ja lämpötilaan. Kaasunpaine riippuu planeetan ilmakehässä olevan kaasun määrästä, pakonopeudesta ja lämpötilasta. Ihminen vaatii noin 500 mbar paineen eli puolen ilmakehän paineen, joka vastaa 5-6 kilometrin korkeutta Maassa. Syvämeren kalojen tiedetään kestävän hyvin suuria, satojen ilmakehien paineita.

Hengityskelpoinen ilma sisältää hiilidioksidia alle 10 mbar osapaineen verran, typpeä yli 300 mbar ja happea 130-300 mbar. Jos planeetan ilmakehässä olisi hiilidioksidia 10% nykyisen Maan ilmakehän 0,04%:n sijasta, se vaatisi hengityskoneistolta ainakin 10 kertaa nykyistä suurempaa tehoa.[15] Kasvit tarvitsevat hiilidioksidin osapaineen yli 10,15 mbar, typen 1-10 ja hapen > 1 mbar.

Liiallisessa happimäärässä materiaalit syttyvät itsestään, toisaalta liian vähäisessä happipitoisuudessa jotkin eläimet eivät voisi hengittää. Jos happea on ilmakehässä noin 35%, tulipalot ovat yhtä yleisiä ja tuhoisia kuin puhtaassa hapessa[16].

Nestemäinen vesi vaatii 6,08 hPa:n eli 0,006 Maan ilmakehän paineen pysyäkseen nesteenä. Alhaisissa paineissa vesi pysyy nesteenä pienemmällä lämpötila-alueella nesteenä kuin Maan ilmakehän paineessa.

[17]

Elinkelpoisella planeetalla on oltava kosmiselta hiukkassäteilyltä suojaava magneettikenttä. Magneettikentän syntyminen edellyttää runsaasti radioaktiivisia aineita planeetan sisustassa, koska magneettikenttä syntyy radioaktiivisuuden lämmityksestä johtuvissa virtauksissa planeetan sisällä. Planeetan on pyörittävä nopeasti jotta magneettikentän synnyttävä dynamo toimisi. Esimerkiksi Venuksella ei ole voimakasta, suojaavaa magneettikenttää, koska se pyörii hyvin akselinsa ympäri hyvin hitaasti. Venuksen vuorokausi on pidempi kuin sen vuosi.

Planeetalla on oltava mannerliikuntoja eli laattatektoniikkaa, joka on osa elämään liittyvää karbonaattisykliä ja joka vaatii eräiden arvioiden mukaan 0,23 Maan massaisen planeetan. Mannerliikunnot vaativat planeetalta mahdollisesti nopeaa pyörimistä ja riittävän suurta kokoa. Mannerliikunnpt saavat voimansa sisäisestä lämmöstä, jonka on säilyttävä Aurinkokunnan iän eli 4,5 miljardia vuotta. Tämä vaatii 0,23 Maan massaista planeettaa eli noin 2 kertaa Marsin massaista planeettaa. 0,3 Maan massaa on välttämätön, jos tektonisen aktiivisuuden on jatkuttava 5 miljardia vuotta.[13]

Marsissa on ollut jonkinlaista geologista liikehtimistä, mutta se on pysähtynyt melkein alkuunsa. Mannerliikunnot auttavat sitomaan hiilidioksidia ja myrkyllisiä kaasuja koska ne kierrättävät kalkkikiveä johon kaasu sitoutuu. Vesi on mannerliikuntojen edellytys: vesi muuttaa merellistä laattaa raskaammaksi imeytyessään ohueen basalttilaattaan ja muodostaessaan raskaita hydraatteja kiveen. Näin laatta painuu helpommin mantereen alla. Tulivuorenpurkaukset vapauttavat hiilidioksidia.

Elämän synnyttämä happi edistää sään luomaa eroosiota. Tämä synnyttää sedimenttiä, joka vajoaa planeetan vaippaan. Näin syntyy uutta mannerta. Silloin eloton planeetta olisi useammin meriplaneetta, jonka mantereet ovat pieniä. Bakteerielämä edistäisi suurempien mannerten syntyä.[18]

Elinkelpoisella planeetalla on oltava oikeat määrät uraania ja toriumia. Näiden hajoamineen lämmittää Maan sisäosaa, pitää laattatektonikkaa yllä sekä luo magneettikentän. Jos uraania ja toriumia on liian vähän, tulivuoritoimintaa eikä magneettikenttää ole. Näin aurinkotuuli pääsee repimään kaasukehän hajalle, ja uusia kaasuja ei tule tulivuoritoiminnasta. Jos uraania ja toriumia on liian paljon, planeetan vaippa lämpenee likaa. Näin magneettikenttää synnyttäviä virtauksia ei synny, koska ytimen ja vaipan lämpötilaero on liian pieni. Taaskaan ei ole voimakasta magneettikenttää ilmakehää suojaamassa. Lisäksi laaja tulivuoritoiminta luo edellytyksiä usein toistuville joukkosukupuutoille.[19][20]

Varsinkin alkeellinen elämä sietää äärioloja. Jotkut bakteerit kestävät 113 °C:n lämpötilan, yli 100 °C pakkasta ja 1000 ilmakehän paineen. Tiedetään että elämän rakenneosaset hajoavat peruuttamattomasti 125 °C:ssa. Halofiilibakteeri elää 33%:ssa suolaliuoksessa. Mikrobit sietävät hyvin emäksistä ja hapanta, pH-aluetta 1 - 13.

Elämää tiedetään Maassa olevan hyvinkin erilaisissa olosuhteissa, kuten valtamerten syvimmissä syvänteissä, kuumissa lähteissä ja syvällä maassa kiven sisässä bakteereina. Tuoreen havainnon mukaan Etelämantereen jääkenttien alta on löytynyt miljoonia vuosia eristyksessä olleita suolavesipusseja, joista on löydetty mikroskooppista elämää. Näissä oloissa ei ole lainkaan vapaata happea.[21]

Planeetan radan olisi oltava vakaa ja mieluiten ympyrämäinen. Aurinkokunnassamme planeettojen ratojen väliset resonanssit tekevät siitä vakaan. Kaksoistähtijärjestelmässä raskas tähti saattaa muuttaa planeettojen radat epävakaaksi, jos se tulee kiertoradallaan liian lähelle planeettoja. Vakaita ratoja tiedetään löytyneistä eksoplaneetoista olevan myös moninkertaisten tähtien ympärillä.[22]

Maan radan soikeus ei aiheuta vuodenaikojen vaihteluja, vaan sen akselikallistuma. Jos Maan rata olisi kovin soikea, planeetallamme olisi pitkin vuotta vuoroin liian kuuma tai liian kylmä. Jos Maan radan soikeus olisi e=0,2, sen aiheuttama vaihtelu lämpötilassa olisi sama kuin Maan akselikallistuman luomat vuodenaikojen vaihtelut. Jos Maan radan soikeus e olisi 0,3, niin maan lämpötila nousisi nykyisestä 14,4 °C:stä 22,8 °C:een. Niinpä soikeilla radoilla kiertävien planeettojen on oltava keskustähdestään keskimäärin kauempana kuin Maan[23]. Suurempi soikeus e=0,4 nostaisi lämpötilan joillain mantereilla ajoittain sietämättömän kuumaksi. Jos soikeus olisi suuri e=0,7, Maa vaeltaisi ratakierroksensa aikana välillä 0,3-1,7 AU, eli Merkuriuksen radan sisäpuolella, Marsin radan ulkopuolella. Silloin Auringon säteilytehon tulisi pienentyä 71%:iin. Silloinkin Maan lämpötila nousisi keskileveysasteilla 60 °C:een. Soikeiden ratojen tiedetään olevan pyöreitä huomattavasti epävakaampia ja planeetat voisivat karata niistä helpommin muiden tähtien vetovoiman takia.[24]

Jos Maan pyörähdysaika olisi lukkiutunut samaksi kuin kiertoaika Auringon ympäri, ilmakehä saattaisi jäätyä Maan toiselle, pimeälle puolelle. On usein väitetty, että jos Kuu ei vakauttaisi Maan pyörimistä, Maan akselin holtiton kieppuminen miljardissa vuodessa n. 85 tekisi Maasta elinkelvottoman. Uusien laskelmien mukaan ilman Kuuta Maan radan akseli vaihtelisi miljoonassa vuodessa 10-20 astetta. Ilman kuuta vaihtelu miljardissa vuodessa olisi 20-30 astetta. Kuullisella Maalla vaihtelu miljoonassa vuodessa on noin 2,4 astetta[25].

Aurinko saattaisi olla kuuttomalla Maalla muutaman kymmenen tuhannen vuoden välein pohjoisnavan yllä. Eräiden mukaan Maa saattaisi silloin helpommin jäätyä lumen ja jään peittämäksi palloksi. Jotkut sanovat että näin tapahtuisi vain, jos olisi yksi suuri supermanner. Soikealla radalla kiertävän planeetan olisi kyettävä pitämään ilmakehänsä myös ollessaan lähimpänä keskustähteään. Kaukana keskustähdestä oleva planeetta voisi olla elinkelpoinen sen ytimessä olevien radioaktiivisten aineiden lämmittämänä. Nuoren planeetan hajoaminen voi tapahtua viisi kertaa nopeammin kuin Maassa nyt.

Punaisilla kääpiötähdillä ja myöhäisillä K-tähdillä planeetta kääntää aina saman puolen kohti keskustähteään, koska se on keskustähden vetovoiman takia vuorovesilukkiutunut. Tällöin planeetan toinen puoli paistuu Auringossa ja toinen pakastuu. Elämää voisi olla planeetan valon ja varjon rajan lähistöillä Auringon puolella rengasmaisella vyöhykkeellä. Vielä pahempaa olisi planeetan merien jäätyminen hyvin kylmälle yöpuolelle, samoin kuin planeetan kaasukehän jäätyminen.

Mutta suuret meret, kaasukehän kaasut ja pilvet tasaavat tehokkaasti pallonpuoliskojen lämpötilaeroja. Tutkimusten mukaan 1-1,5 bar hiilidioksidimäärä riittäisi tasaamaan planeetan lämpötilaa ja 30 mbar hiilidioksidi-ilmakehä pysyisi jäätymättä. [26]. Toisten tietojan mukaan 10% vesimäärä ja/tai 100 mbar ilmakehän paine riittäisi. Tällöin vain melko kuivat planeetat jäätyisvät yöpuoleltaan. Amerikkalaisen tutkijan Dolen mukaan elämä vaatii alle 96 tunnin pyörähdysaikaa.[2]

Jupiterin tapaiset jättiläiskaasuplaneetat, jotka kiertävät tähteä ympyräradalla tarpeeksi kaukana elinkelpoisesta ekosfäärivyöhykkeestä etteivät häiritse sitä, mutta kyllin lähellä ”suojellakseen” sisempiä planeettoja, ovat kahdella tavalla tärkeitä elinkelpoisille planeetoille. Ensinnäkin ne auttavat vakaannuttamaan sisempien planeettojen kiertoratoja ja sitä kautta ilmastoa, toiseksi ne pitävät sisemmät planeetat suhteellisen suojassa komeetoilta ja asteroideilta, jotka saattaisivat aiheuttaa elämän kannalta kohtalokkaita törmäyksiä. Jupiter kiertää Aurinkoa suunnilleen kuusi kertaa Maata kauempana, mitä voi pitää sopivana etäisyytenä jättiplaneetoille muissakin aurinkokunnissa. Jos Jupiter on 2-5 AU:n päässä, planeettakunnassa on enemmän planeettoja.[22]

Aurinkokuntamme varhaishistoriassa Jupiterilla oli jossain määrin vastakkainen rooli: se lisäsi asteroidivyön kappaleiden kiertoradan epävakautta saaden monet niistä törmäämään Maahan lisäten siten planeetan koostumukselle tärkeitten rakennusaineitten määrää. Ennen kuin Maa oli saavuttanut puolet nykyisestä massastaan, Jupiterin-Saturnuksen alueen ja asteroidivyön jääkasaumat toimittivat Maahan vettä suistuttuaan radoiltaan Jupiterin ja vähäisemmässä määrin Saturnuksen vaikutuksesta. Joten vaikka kaasujättiläiset ovat nyt hyödyllisiä suojelijoita, ne aikaisemmin auttoivat Maata saamaan elämän synnylle tärkeitä rakennusaineita. Soikeilla radoilla kiertävät jupiterit luovat epävakaita kiertoratoja ja heikentävät planeettojen elinkelpoisuutta.[22] Nykyään on tehty tutkimuksia, joiden mukaan Jupiterin olemassaololla tai sijainnilla ei oliskaan käytännössä niin suurta merkitystä kuin olisi tähän asti luultu.[27]