Planetologia
Extrasolare
Zone Abitabili ed abitabilita’
R.U. Claudi
Linee generali di evoluzione della vita
H,C,N,O,S,P…
CH4,CO2,CO,H2O,H2S,
N2,NH3,H3PO4
Evoluzione
chimica
Biomonomeri,
amminoacidi,zucheri,
basi
Biopolimeri, proteine,
acidi nucleici
1° sistema viv.
Microfossili precambriani
oggi
Evoluzione
Biologica
Composizione chimica degli organismi
viventi
Metallicità ed Abitabilità
Esiste un limite inferiore di metallicità, al di sotto del quale
non si hanno elementi pesanti sufficienti per formare
pianeti di tipo terrestre?
1. Massa totale pianeti terrestri scala linearmente con [Fe/H]
2. Massa pianeti terrestri sistema Solare tipica
3. 1M massa minima per pianeta abitabile
[Fe/H] ~ - 0.3
Turnbull, 2003
Requisiti di Abitabilità
1. Presenza di elementi pesanti
2. Disponibilità di Acqua (HZ..ma non
solo)
3. Tempo scala di abitabilità lungo
(stabilità)
Storia del concetto di zona abitabile
1959-1960
Huang
Zona abitabile:come la zona intorno ad una stella
in cui può esistere un pianeta abitabile
1964
Dole
1966
Skhlovski &
Sagan
Ecosfera: zona intorno ad una stella entro cui su
un pianeta almeno il 10% della superficie ha una
Temperatura compresa tra i –10 e 30 C
1970
1988
Rasool & DeBergh
Zona abitabile:come la zona intorno ad una stella
Hart
in cui può esistere un pianeta sulla cui superfice
Kasting
si abbia acqua liquida
1991
Whitmire
1992
Fogg
1978
Zona Biocompatibile:come la zona intorno ad una
stella in cui può esistere un pianeta sulla cui
superfice si abbia acqua liquida e Zona Abitabile
quella compresa entro cui sia possibile la vita
umana
Definizioni:
•Zona Abitabile (HZ) – è la regione intorno
ad una stella in cui un pianeta di tipo
terrestre può mantenere, in qualche istante
di tempo, l’acqua allo stato liquido.
•Zona continuamente abitabile (CHZ) – la
regione in cui un pianeta può rimanere
abitabile per uno specifico periodo di tempo
(per esempio 4.6 Gy)
Limiti della zona abitabile: Calcolo ingenuo
Tp=280 K
Tp~400 K
Sole
Venere
Terra
0.7 UA 0.96 UA
Tp=270 K
Marte
2.0 UA
I Calcoli di M. Hart (Icarus, 1978, 1979)
Hart è stato il primo a considerare l’evoluzione delSole nel
calcolo della zona (CHZ)
•La CHZ(4.6 Gyr) intorno al Sole è relativamente stretta
–0.95 UA: Runaway greenhouse (effetto serra
autoalimentato)
–1.01 UA: Runaway glaciation (Glaciazione autoalimentata)
•Le CHZ intorno alle altre stelle sono perfino più strette
–Corollario: la terra potrebbe essere il solo
pianeta abitabile nella nostra galassia
Effetto Serra
Teff=5770
Molecola di CO2
O
C
Radiazione visibile
a 500 nm
Vibrazioni
e
rotazione
O
Radiazione
infrarossa a 100 m
Superfice planetaria a Teff=293 K (20 C)
Glaciazione irreversibile
Albedo
Sole
Luce riflessa
Ghiaccio
Superfice planetaria
Oceani
4%
Rocce
15%
Nuvole
52%
Ghiaccio
70%
Hart 1978
Stabilizzazione del Clima: ciclo Carbonio Silicati
METAMORFISMO
SUBDUZIONE
Loop a Feedback Negativo
Pioggia
Tasso di
Weathering
de silicati
temperatura
Superficiale
(-)
effetto
serra
CO2
Atmosferico
Runaway greenhouse Effect:
Effetto Serra autoalimentato
Aumento della temperatura superficiale del pianeta non
controbilanciato da una diminuzione dei gas serra in
atmosfera.
Innalzamento della quota dello strato invertente per il vapore
acqueo
Raggiungimento del vapore acqueo degli strati alti
dell’atmosfera e sua fotodissociazione
Diminuzione del livello di acqua nell’atmosfera
Riduzione dell’efficienza della relazione di “weathering” dei
silicati
Aumento della anidride carbonica in atmosfera
Fotodissociazione dell’acqua
Produzione di O abiotico
H è perso dall’atmosfera
I confini della zona abitabile
•Confine interno: è determinato dalla perdita di
acqua causata dall’effetto serra autoalimentato
•Confine esterno: dipende da quanto efficiente può
essere l’effetto serra su un pianeta.
I modelli che calcolano questi limiti hanno due tipi
di approccio:
Approccio conservativo: Assumono che CO2 e H2O
siano i soli gas serra importanti
Approccio meno conservativo: Considerano anche il
metano
I confini della zona abitabile per il Sole
Kasting etal. 1993, Icarus
Seff=S/S0 a(UA)
Venere Recente
1.76
0.75
Runaway Greenhouse
1.41
0.84
Perdita di acqua
1.10
0.95
Prima condensazione CO2
0.53
1.37
Greenhouse massimo
0.36
1.67
Early Mars
0.32
1.77
Caso di Venere
J. F. Kasting, Icarus (1988)
Evoluzione dell’atmosfera terrestre ed effetti
biologici
Problema del Sole Giovane:
S0~0.30Sattuale
Snowball Earth
Ma: Zirconi a 4.3 Gy
e 3.5Gy= evidenza
Acqua Liquida
Soluzione:
Batteri Metanogeni
Metabolismo:
Glaciazione Uroniana
Microorganismi
fotosintetici che
producono O2,
Ossidazione del CH4
CO2 + 4 H2 
CH4 + 2 H2O
Hart 1978
Indicatori Geologici di O2
H. D. Holland (1994)
Caso di Marte
Distante dal sole, per mantenere caldi CO2 e H2O
avrebbe dovuto avere un forte effetto serra.
Condensazione di questi gas al limite dell’atmosfera.
Entrambe soggetti alla fotodissociazione
Massa di marte 1/9 massa terrestre
Scarsa attività tettonica
Nessun rifornimento di CO2
Zone Continuamente Abitabili
Regione intorno ad una stella in
cui la zona di abitabilità è stabile
contro:
1.
Variazioni di luminosità della stella
causate dalla sua evoluzione
2.
Instabilità dinamiche
3.
Estinzioni di massa per cause
astronomiche
Limite temporale: ab~3 Gyr (Hart 1979, Henry et al. 1995)
Early mars
Maximum greenhouse
Cond. CO2
Perdita di acqua
Runaway greenhouse
Venere recente
Zone Abitabili Per le altre stelle
I limiti delle zone abitabili intorno a stelle di tipo spettrale
Diverso dal sole possono essere ricavati da:
Interno:
fotoionizzazione
acqua, fuga H.
Evoluzione veloce
Corrotazione
Esterno: CO2 nuvole,
riflessione luce
solare
La zona abitabile galattica
Guillermo Gonzalez 2002
•Requisiti di composizione per la formazione dei
pianeti abitabili (metallicità)
•Scala galattica a confronto con la vita complessa
•Entrambe pongono dei limiti nello spazio e nel
tempo per l’esistenza dei paineti abitabili
•La zona galattica di abitabilità ha limiti che possono
variare a causa dello scatter di metallicità ad un
dato periodo ed ad un dato tempo
Teniamo presente che il contesto galattico ha importanza nella abitabilità
Sopravvivenza della vita complessa
•Eventi transienti: Supernovae, gamma ray
burst e outburst del nucleo galattico
•Impatti di comete dovuti alla perturbazione
della nube di Oort da stelle vicine, nubi
molecolari giganti e effetti galattici di marea.
Evoluzione nel tempo del tasso di supernovae.
Timmes et al. (1995)
Variazione radiale di Supernovae
Data from Case and Bhattachrya (1998)
La zona Galattica Abitabile
Guillermo Gonzalez 2002
Conclusioni
•Le HZ e le CHZ intorno a stelle di tipo solare,
sono relativamente grandi a causa delle
conseguenze della stabilizzazione del clima
dovuto al ciclo dei carbonati e silicati
•Le stelle che sono le migliori candidati
all’abitabilità sono le stelle fra le classi spettrali
F0 e K5.