Γιατί οι εξωγήινοι και τα ηφαίστεια πάνε μαζί

Ο μυθιστοριογράφος Γουίλιαμ Γκόλντινγκ πρότεινε στον Τζέιμς Λάβλοκ να ονομάσει τη διάσημη πλέον υπόθεσή του από το όνομα της Ελληνίδας θεάς της Γης, Γαίας. Ταίριαζε καλά:ο Lovelock πίστευε ότι τα ζωντανά και άψυχα μέρη της Γης σχημάτιζαν ένα ενιαίο, αλληλεπιδρώντα και αυτορυθμιζόμενο σύστημα. Το έργο του Lovelock αναπτύχθηκε, εν μέρει, από την έρευνα που είχε κάνει για τη NASA και δημοσιεύτηκε σε ένα Nature το 1965 χαρτί, για τα σημάδια ζωής που μπορεί να αναζητήσουμε σε άλλους πλανήτες.

Σαράντα έξι χρόνια αργότερα, το διαστημικό τηλεσκόπιο Kepler της NASA ανακάλυψε τον πλανήτη Kepler-22b. Ήταν ένας από τους πρώτους πλανήτες εκτός του ηλιακού μας συστήματος που επιβεβαιώθηκε ότι περιφέρεται γύρω από ένα αστέρι που μοιάζει με ήλιο σε απόσταση που θα επέτρεπε την ύπαρξη υγρού νερού στην επιφάνειά του. Η διαθεσιμότητα υγρού νερού, το οποίο είναι απαραίτητο για κάθε μορφή ζωής που γνωρίζουμε, θα αυξήσει τις πιθανότητες να φιλοξενεί ζωή στον πλανήτη. Επίσης, η εκτιμώμενη πυκνότητα του Kepler-22b υποδηλώνει ότι μπορεί να αποτελείται από βράχο, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να είναι σε θέση να αναπαράγει συνθήκες παρόμοιες με αυτές που βρίσκονται στη Γη.

Τώρα, οι επιστήμονες αρχίζουν να κατανοούν τη σημασία ενός άλλου χαρακτηριστικού οποιουδήποτε πλανήτη που μπορεί να υποστηρίξει ζωή, και αυτό ταιριάζει απόλυτα στην άποψη του Lovelock για τη Γη ως δυναμικό συμμετέχοντα παρά ως παθητικό σκηνικό:ένα ενεργό σύστημα ηπείρων που παρασύρονται, διαφορετικά γνωστή ως τεκτονική πλακών. Εκ πρώτης όψεως, η σύνδεση μεταξύ της ζωής, με τους σχετικά σύντομους κύκλους και την ιλιγγιώδη πολυπλοκότητά της, και της τεκτονικής πλακών, με τους πολύ πιο αργούς κύκλους και τις φαινομενικά απλούστερες αλληλεπιδράσεις της, φαίνεται ισχνή. Αλλά στη Γη, τουλάχιστον, αυτή η σύνδεση είναι άμεση και βαθιά.

Οι ήπειροι της Γης κινούνται επειδή κάθονται σε ξεχωριστές πλάκες, που αποτελούνται από τον φλοιό και τον ανώτερο μανδύα, που επιπλέουν σαν νησιά σε μια «θάλασσα» από καυτούς, ρευστούς βράχους από κάτω. Οι κινήσεις αυτών των πλακών είναι μέρος μιας γιγάντιας μηχανής που μεταφέρει συνεχώς νερό, διοξείδιο του άνθρακα και άλλα συστατικά ζωτικής σημασίας για τη ζωή από το βαθύ εσωτερικό στην επιφάνεια και την ατμόσφαιρα της γης και πάλι πίσω. Χάρη στην τεκτονική των πλακών, «τα στοιχεία στον περιοδικό πίνακα τροφοδοτούνται συνεχώς στη γη, τις λίμνες και τους ωκεανούς», σημειώνει ο γεωφυσικός του Στάνφορντ, Norman Sleep. Η ζωή εξαρτάται από αυτούς τους κύκλους με αμέτρητους τρόπους.

Επιπλέον, χωρίς την τεκτονική των πλακών, ο πλανήτης μας δεν θα είχε ένα κλίμα αρκετά σταθερό για να υποστηρίξει τη ζωή για τα δισεκατομμύρια χρόνια που εξελίσσεται. Αυτό συμβαίνει επειδή η τεκτονική πλακών είναι ένα ουσιαστικό μέρος ενός ακατέργαστου πλανητικού θερμοστάτη που ονομάζεται κύκλος «ανθρακικού-πυριτικού». Το διοξείδιο του άνθρακα στην ατμόσφαιρα διαλύεται στο νερό της βροχής για να σχηματίσει ανθρακικό οξύ, το οποίο διαλύει πυριτικά πετρώματα. Τα υποπροϊόντα αυτής της διάβρωσης, ή της «καιρικής επιβράδυνσης», μεταφέρονται στους ωκεανούς όπου καταπίνονται από οργανισμούς - όπως τα μικροσκοπικά πλαγκτονικά τρηματοφόρα - και ενσωματώνονται σε κελύφη από ασβεστόλιθο (ανθρακικό ασβέστιο). Όταν αυτά τα πλάσματα πεθαίνουν, πέφτουν στον πυθμένα του ωκεανού και συσσωρεύονται ως ιζήματα.

Στα όρια των πλακών, μερικά από αυτά τα ιζήματα μεταφέρονται ακόμη περισσότερο μέσω της καταβύθισης (όταν μια πλάκα γλιστρά κάτω από μια άλλη). Υπό τις συνθήκες υψηλότερης θερμοκρασίας και πίεσης που βρίσκονται στη βαθιά γη, απελευθερώνεται αέριο διοξείδιο του άνθρακα, που τελικά οδηγεί στην ατμόσφαιρα μέσω ηφαιστείων, ολοκληρώνοντας έτσι τον κύκλο.

Όταν η θερμοκρασία της Γης αυξάνεται, περισσότερο νερό εξατμίζεται από την επιφάνεια, οδηγώντας, με τη σειρά του, σε περισσότερες βροχοπτώσεις, οι οποίες ξεπλένουν περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα και το στέλνουν βαθιά υπόγεια μέσω τεκτονικών οδών. Αυτό μειώνει το φαινόμενο του θερμοκηπίου, οδηγώντας σε παγκόσμια ψύξη. Αντίθετα, όταν η Γη κρυώνει, βρέχει λιγότερο διοξείδιο του άνθρακα και συσσωρεύονται ατμοσφαιρικές συγκεντρώσεις από ηφαίστεια και άλλες πηγές, οδηγώντας σε ενισχυμένο φαινόμενο του θερμοκηπίου και τελικά αύξηση της θερμοκρασίας. Ο Tilman Spohn, ο οποίος διευθύνει το Ινστιτούτο Πλανητικής Έρευνας στο Γερμανικό Αεροδιαστημικό Κέντρο στο Βερολίνο, αποκαλεί την τεκτονική πλακών «τον πιο αποτελεσματικό γνωστό μηχανισμό ανακύκλωσης» αυτού του είδους.

Είναι αξιοσημείωτο ότι η εξάρτηση της ζωής από την τεκτονική των πλακών είναι αμφίδρομη:οι επιστήμονες έχουν συνειδητοποιήσει ότι η τεκτονική των πλακών βασίζεται στη ζωή όπως ακριβώς βασίζεται η ζωή σε αυτήν. "Η ζωή μπορεί να σταθεροποιήσει την τεκτονική των πλακών, η οποία, με τη σειρά της, μπορεί να σταθεροποιήσει την κατοικησιμότητα ενός πλανήτη", λέει ο Spohn.

Ένα σημαντικό μέρος της ανατροφοδότησης από τη βιολογία στη γεωλογία προέρχεται από τον κύκλο «βαθιάς ύδατος», ο οποίος είναι στενά συνδεδεμένος με τις καιρικές συνθήκες. Η ζωή στην επιφάνεια της Γης συμβάλλει στις καιρικές συνθήκες με διάφορους τρόπους, από την έκκριση βακτηριακού οξέος που διασπά τους βράχους, έως την ανάπτυξη σε βράχους λειχήνων, βρύων και δέντρων. «Ο ρυθμός καθίζησης είναι συνάρτηση της δραστηριότητας της βιόσφαιρας», ισχυρίζεται ο Spohn. Με άλλα λόγια, όσο περισσότερη ζωή υπάρχει σε έναν πλανήτη, τόσο περισσότερες καιρικές συνθήκες θα υπάρχουν.

Τα ιζήματα που προκύπτουν από αυτή τη διαδικασία συσσωρεύονται στον πυθμένα του ωκεανού και περιέχουν έως και 40 τοις εκατό νερό κατά βάρος. Όταν η καταβύθιση συμβαίνει στα όρια των πλακών, μεταφέρονται προς τα κάτω στον μανδύα, περίπου 62 μίλια (100 χιλιόμετρα) κάτω από την επιφάνεια της Γης.

Το νερό που δένεται σε αυτά τα υπόγεια στρώματα χρησιμεύει με τη σειρά του ως ένα είδος λιπαντικού που καθιστά δυνατές τις κινήσεις των πλακών. Αυτό συμβαίνει επειδή το νερό μπορεί να σπάσει τους δεσμούς που συγκρατούν τους βράχους μαζί, καθιστώντας τους πιο εύπλαστους και ρευστούς. «Εάν ένας πλανήτης δεν έχει νερό στον μανδύα του», εξηγεί ο Spohn, «δεν θα είχε τεκτονικές πλακών, που περιλαμβάνει την αργή κίνηση του μανδύα προς την επιφάνεια. Αντίθετα, θα είχατε ένα στάσιμο στρώμα βράχων από πάνω». Αυτό βλέπουμε στον Ερμή και τη Σελήνη.

Η αύξηση της περιεκτικότητας του πετρώματος σε νερό μειώνει επίσης το σημείο τήξης του. Επομένως, η παροχή περισσότερου νερού στον μανδύα θα δημιουργήσει περισσότερο λιωμένο υλικό, οδηγώντας σε περισσότερες ηφαιστειακές εκρήξεις. «Η εκροή αυτού του ηφαιστειακού βράχου είναι βασικά το υλικό που δημιουργεί τον ηπειρωτικό φλοιό», ο οποίος αποτελείται κυρίως από γρανίτη, λέει ο Spohn. «Όσο περισσότερο από αυτό το τήγμα παράγετε, τόσο περισσότερο μεγαλώνουν οι ήπειροι». Δεδομένου ότι μια ακμάζουσα βιόσφαιρα μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα περισσότερο νερό να φτάσει στον μανδύα, υποθέτει, ότι μπορεί επίσης να συμβάλει στην ανάπτυξη των ηπείρων.

Το 2013, ο Spohn, ο Dennis Höning και δύο άλλοι συνάδελφοί του φαντάστηκαν πώς θα μπορούσε να μοιάζει η Γη χωρίς τεκτονικές πλακών. Χρησιμοποίησαν προσομοιώσεις υπολογιστή για να περιγράψουν δύο πολύ διαφορετικά σενάρια - ένα με ενεργή βιόσφαιρα στο μείγμα και ένα χωρίς. Στη «βιοτική» περίπτωση, οι βιολογικές καιρικές συνθήκες συνέβαλαν στην ενισχυμένη καθίζηση, με αποτέλεσμα περίπου 300 μέρη ανά εκατομμύριο νερού στο μανδύα. Αυτό, με τη σειρά του, οδήγησε σε συχνότερες ηφαιστειακές εκρήξεις και ηπείρους που κάλυπταν περίπου το 40 τοις εκατό της επιφάνειας της Γης, περίπου συγκρίσιμες με τον κόσμο που βλέπουμε σήμερα.

Η αφαίρεση της ζωής από την εξίσωση οδήγησε σε έναν πλανήτη με πολύ διαφορετική εμφάνιση. Η μειωμένη καθίζηση είχε ως αποτέλεσμα χαμηλότερες συγκεντρώσεις νερού στο μανδύα (μόνο περίπου 40 μέρη ανά εκατομμύριο) και αντίστοιχα μειωμένη παραγωγή του ηπειρωτικού φλοιού. Μια άψυχη Γη, προβλέπει το μοντέλο, θα ήταν ουσιαστικά ένας υδάτινος κόσμος με λίγη στεριά—που θα αποτελεί ίσως μόλις το 3 τοις εκατό της επιφάνειας.

«Δεν μπορούμε να πούμε ποια ήρθε πρώτη, η τεκτονική πλάκα ή η ζωή», λέει ο Spohn. «Αυτό που μπορούμε να πούμε είναι ότι ουσιαστικά σταθεροποιούν το ένα το άλλο. Αν ξαφνικά απενεργοποιούσαμε την τεκτονική των πλακών, δεν θα ήταν πολύ καλό για εμάς. Και αν απενεργοποιούσαμε τη ζωή, δεν θα ήταν καλό για τεκτονικές πλάκες.»

Η ιδέα ότι η τεκτονική πλακών κάνει τη ζωή πιο πιθανή αρχίζει να κατευθύνει την αναζήτηση για εξωγήινη ζωή. Ο αστρονόμος του Northwestern University Nicolas Cowan και οι συνεργάτες του επέδειξαν πρόσφατα μια τεχνική για την ανίχνευση της παρουσίας ωκεανών και ηπείρων σε έναν εξωπλανήτη. Μέχρι στιγμής έχουν δοκιμάσει μόνο την προσέγγιση στη Γη, χρησιμοποιώντας ένα τηλεσκόπιο στο διαστημόπλοιο Deep Impact της NASA που ήταν δεκάδες εκατομμύρια μίλια μακριά όταν έκανε τις παρατηρήσεις του. Η βασική ιδέα είναι να δούμε πώς το χρώμα ενός πλανήτη αλλάζει με την πάροδο του χρόνου καθώς περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του.

Αφού κοίταξε τη Γη για 24 ώρες με το μικρό τηλεσκόπιο του Deep Impact, η ομάδα του Cowan κατάφερε να φτιάξει έναν χάρτη του πλανήτη που είχε τρία χρώματα:μπλε που αντιστοιχεί στους ωκεανούς, πορτοκαλί που αντιστοιχεί στη γη και γκρι που αντιστοιχεί στα σύννεφα. Οι μακροπρόθεσμες παρατηρήσεις θα έδειχναν τα γκρίζα μπαλώματα (ή τα σύννεφα) να κινούνται, έτσι ώστε οι επιστήμονες να έχουν μια πιο εκλεπτυσμένη εικόνα για το πού βρίσκονται οι ωκεανοί και οι ήπειροι.

Αυτή η τεχνική δεν έχει ακόμη εφαρμοστεί σε απομακρυσμένους πλανήτες, αλλά ο Cowan πιστεύει ότι μπορεί σύντομα να βοηθήσει τους αστροβιολόγους να αποφασίσουν σε ποιους εξωπλανήτες θα επικεντρωθούν. «Αν ένας πλανήτης έχει μεγάλες ηπείρους και μεγάλα υδάτινα σώματα, είναι δύσκολο να γίνει αυτό χωρίς τεκτονικές πλακών», λέει. Και οι τεκτονικές πλακών είναι λιγότερο πιθανό να υπάρχουν χωρίς ζωή.

Ο Steve Nadis, ένας συγγραφέας με έδρα το Cambridge της Μασαχουσέτης, είναι συντάκτης που συμβάλλει στο Αστρονομία και Ανακαλύψτε περιοδικά. Είναι συν-συγγραφέας του A History in Sum:150 Years of Mathematics at Harvard.

Αναφορές

1. Kasting, J.F. &Catling, D. Evolution of a κατοικήσιμο πλανήτη. Ετήσια Επιθεώρηση Αστρονομίας και Αστροφυσικής 41 , 429-463 (2003).

2. Walker, J.C.G., Hays, P.B., &Kasting, J.F. Ένας μηχανισμός αρνητικής ανάδρασης για τη μακροπρόθεσμη σταθεροποίηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας της Γης. Journal of Geophysical Research 86 , 9776-9782 (1981).

3. Honing, D., Hansen-Goos, H., Airo, A., &Spohn, T. Biotic vs. abiotic Earth:A model for mantle hydration and continental coverage. Πλανητική και Διαστημική Επιστήμη (2013). Ανακτήθηκε από http://dx.doi.org/10.1016/j.pss.2013.10.004.

4. Rosing, M.T., Bird, D.K., Sleep, N.H., Glassley, W., &Albarede, F. Η άνοδος των ηπείρων—Ένα δοκίμιο για τις γεωλογικές συνέπειες της φωτοσύνθεσης. Παλαιογεωγραφία, Παλαιοκλιματολογία, Παλαιοοικολογία 232 , 99-113 (2006).

5. Η ομάδα Steigerwald, B. EPOXI αναπτύσσει νέα μέθοδο για την εύρεση εξωγήινων ωκεανών. NASA.gov (2009).

6. Cowen, N.B., et al. Εξωγήινοι χάρτες ενός ωκεανοφόρου κόσμου. The Astrophysical Journal 700 , 915-923 (2009).