Зависят ли технологические цивилизации от атмосферного кислорода?

Около двух миллионов лет назад вид прямоходящих обезьян, известный как homo erectus, начал использовать огонь. Это был постепенный процесс: от умелых пользователей природного огня до мастеров, способных создавать пламя из кремня и тендера. Мы их потомки. Мы — существа кузницы и печи, очага и дома. Огонь стал настолько важным для нас, что вместо homo sapiens мы могли бы называть себя homo ignus, владеющей огнем обезьяной. Огонь играет центральную роль в возникновении нашей цивилизации. Он готовит нам еду, согревает нас и освещает нашу ночь. Это поднимает интересный вопрос. Могли бы мы построить цивилизацию без огня?

Пожар возможен только в атмосфере с высоким содержанием кислорода. В атмосфере с содержанием кислорода менее 18% открытого огня быть не может. Для надежного зажигания может потребоваться уровень до 20%. Атмосфера Земли в настоящее время состоит из 21% кислорода, но на протяжении всего около 200 миллионов лет его содержание стабильно превышало 18%. На протяжении большей части истории Земли открытое пламя было невозможно. А Земля — единственная планета в нашей солнечной системе со значительным уровнем кислорода. Таким образом, хотя планеты являются обычным явлением во Вселенной, планеты, на которых возможен огонь, могут быть редкими. Если цивилизациям для возникновения необходим огонь, узким местом может стать атмосферный кислород.

Это узкое место находится в центре внимания недавнего исследования, опубликованного на arxiv. Он рассматривает требования к тому, чтобы планета имела богатую кислородом атмосферу, и обнаруживает, что ограничения довольно строгие. Есть только два основных способа создания свободного кислорода в атмосфере. Первое — биологическое происхождение, при котором живые организмы производят кислород посредством фотосинтеза. Второй — абиотический процесс, при котором водяной пар в верхних слоях атмосферы под воздействием ультрафиолета расщепляется на водород и кислород.

Удалите всю рекламу во Вселенной сегодня

Присоединяйтесь к нашему Patreon всего за 3 доллара!

Получите опыт без рекламы на всю жизнь

Исследование показывает, что доминирующий механизм зависит от размера и температуры планеты. При земных температурах свободный кислород необходим живым организмам. Но если планета слишком мала, она не сможет содержать атмосферу, достаточную для жизни, а если она слишком велика, в ее атмосфере будет настолько преобладать водород и гелий, что живые существа не смогут производить достаточно кислорода, чтобы преодолеть порог в 18%. Таким образом, жители суперземли с земной температурой, вероятно, не могут иметь открытого огня.

Для более горячих планет доминирует абиотический механизм, но только в том случае, если планета больше Земли. На маленьких горячих планетах не будет достаточно густого водяного пара, чтобы генерировать много кислорода. Хорошим примером этого является Венера, где она слишком теплая для биотического кислорода, но недостаточно большая для абиотического кислорода. Это означает, что если мы обнаружим суперземли с богатой кислородом атмосферой, то, скорее всего, она возникла абиотическим путем. Живые существа по-прежнему смогут использовать этот кислород, в том числе использовать огонь для создания цивилизации.

Проблема атмосферного кислорода сложна, и в этой статье не рассматриваются реальные детали. Его цель — обозначить ограничения на возможность создания огня в потенциально обитаемых мирах. Когда мы ищем жизнь на небесах, нам, возможно, придется различать потенциально обитаемые миры и потенциально цивилизованные миры.

Последние могут оказаться гораздо более редкими, чем мы когда-то надеялись.

Ссылка: Бальби, Амедео и Адам Франк. «Кислородное узкое место в техносферах». Препринт arXiv arXiv:2308.01160 (2023).