Επιδράσεις της μεταβλητής εκκεντρότητας στο κλίμα ενός κόσμου που μοιάζει με τη γη

Ο Δίας παίζει σημαντικό ρόλο στην τροχιακή δυναμική πολλών ουράνιων σωμάτων στο ηλιακό σύστημα, ειδικά για τον Άρη του οποίου η αξονική κλίση ποικίλλει πάνω από 45 μοίρες σε χρονικές κλίμακες 100.000 ετών και του οποίου η εκκεντρότητα ποικίλλει σε παρόμοιες χρονικές κλίμακες. Προφανώς, το κλίμα του Άρη επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από αυτές τις αλλαγές. Η επιρροή του Δία στην αξονική κλίση της Γης θα μπορούσε να είναι παρόμοια αν όχι το μεγάλο φεγγάρι της Γης, ενώ η εκκεντρότητα της Γης θα ήταν πιο μεταβλητή εάν η τροχιά του Δία ήταν πιο κοντά στη Γη.

Χρησιμοποιώντας το πλανητικό μοντέλο γενικής κυκλοφορίας του Goddard Institute for Space Studies ROCKE-3D (Way et al. 2017) (ένα παράγωγο GCM του GISS' ModelE που χρησιμοποιείται για Προσομοιώσεις Κλίματος της Γης) διερευνούμε τι θα συνέβαινε στο κλίμα ενός κόσμου που μοιάζει με τη Γη αν Ο Άρης δεν υπήρχε, αλλά ένας πλανήτης σαν τον Δία ήταν πολύ πιο κοντά στην τροχιά της Γης. Παρόμοια εξωπλανητικά συστήματα είναι πιθανό να βρεθούν στο μέλλον και η κλιματική σταθερότητα τέτοιων κόσμων που μοιάζουν με τη Γη ενδιαφέρει τους αστροβιολόγους. Οι διακυμάνσεις της τροχιακής εκκεντρότητας του κόσμου που μοιάζει με τη Γη που χρησιμοποιείται στο GCM υπολογίστηκαν με ένα αναλυτικό μοντέλο τροχιακής εξέλιξης (Georgakarakos et al. 2016).

Οι προσομοιώσεις GCM χρησιμοποίησαν έναν πλήρως συζευγμένο ωκεανό και η μεγαλύτερη προσομοίωση διεξήχθη εδώ και 7000 χρόνια, πιθανώς η μεγαλύτερη σε αυτή την ανάλυση (4×5 μοίρες οριζόντια ανάλυση, 20 ατμοσφαιρικά στρώματα και 13 στρώματα ωκεανού) που έγινε ποτέ για έναν άλλο πλανήτη και έναν από τα πολύ λίγα που έγιναν ποτέ για οποιονδήποτε πλανήτη με έναν πλήρως συζευγμένο ωκεανό. Αυτό ανατρέπει την ιδέα ότι αυτοί οι τύποι προσομοιώσεων μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο για την εξέταση στιγμιότυπων (~100 ετών) του κλίματος ενός εξωπλανήτη και ανοίγει την πόρτα στον πιθανό χαρακτηρισμό της κατοικιμότητας ενός εξωπλανήτη που ανακαλύφθηκε σε έναν πλήρη κύκλο Milankovitch (~40.000 χρόνια για Γη).

Η κοινότητα των εξωπλανητών αποφεύγει ως επί το πλείστον τους πλήρως συζευγμένους ωκεανούς επειδή πιστεύει ότι είναι πολύ υπολογιστικά ακριβοί και χρονοβόροι για να τρέξουν. Ωστόσο, είναι δυνατά χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις χαμηλότερης ανάλυσης (όπου απαιτείται), όπως αυτές σε μόλις 23 πυρήνες υπολογιστών υψηλής απόδοσης. Χρησιμοποιήσαμε το chipset Haswell της Intel. Φυσικά, ένα σύνολο τέτοιων προσομοιώσεων θα μπορούσε να επωφεληθεί από μια υπολογιστική πλατφόρμα υψηλής απόδοσης όπως το NCCS όπως κάναμε εδώ.

Ο πλήρως συζευγμένος ωκεανός είναι σημαντικός επειδή μετριάζει τα ακραία κλίματα που διαφορετικά θα αποκτούσε κανείς με απλούστερα μοντέλα ωκεανών. Για παράδειγμα, στην υψηλότερη εκκεντρότητα (0,283) αυτός ο πλανήτης στην πλησιέστερη προσέγγιση (περίαψη) δέχεται 1,8 φορές το ηλιακό φως από αυτό που δέχεται η Γη και στο πιο μακρινό του 0,61 φορές (απόαψη).

Ωστόσο, αυτός ο κόσμος δεν μπαίνει σε ένα υγρό ή αφανές θερμοκήπιο (σκεφτείτε την Αφροδίτη!) στην κοντινότερη προσέγγιση ούτε παγώνει ποτέ στο πιο μακρινό του (σκεφτείτε τον Άρη!). Εάν αυτός ο κόσμος λάμβανε οποιαδήποτε από αυτές τις ποσότητες ηλιακού φωτός συνεχώς, θα κατέστρεφαν το κλίμα από την άποψη της κατοικητικότητας (η επιμονή του επιφανειακού υγρού νερού). Αυτό δείχνει πώς η εξέταση του ωκεανού κάνει μεγάλη διαφορά στην εκτίμηση της κατοικιμότητας.

Αυτή η έρευνα είναι επίσης η πιο πρόσφατη επίδειξη της προσέγγισης "επιστήμης συστημάτων" NExSS που συνδυάζει εργαλεία από διαφορετικούς κλάδους. Εδώ χρησιμοποιήσαμε ένα μοντέλο του κλίματος της Γης που οδηγείται από ένα μοντέλο πλανητικής τροχιακής εξέλιξης. Κάτι που δεν είχε επιχειρηθεί προηγουμένως λόγω του κόστους υπολογισμού και χρόνου εκτέλεσης που αναφέρθηκαν παραπάνω.

Αναφορές

Way, M., and Georgakarakos, N. 2016, Effects of Variable Eccentricity on the Climate of an Earth-like World, Astrophysical Journal Letters, 835, L1.

Γεωργακαράκος, Ν., Dobbs-Dixon, I., Way, M.J. 2016, Μακροπρόθεσμη εξέλιξη πλανητικών συστημάτων με έναν επίγειο πλανήτη και έναν γίγαντα πλανήτη, MNRAS, 461, 2, 1512, doi:10.1093/mnras/stw137 P>

Way et al. 2017, Resolving Orbital and Climate Keys of Earth and Extraterrestrial Environments with Dynamics (ROCKE-3D) 1.0:A General Circulation Model for Simulating the Climates of Rocky Planets, Astrophysical Journal Supplement Series 231:12. (https://arxiv.org/abs/1701.02360)