[論文レビュー] The inhabitance paradox: how habitability and inhabitancy are inseparable

Colin Goldblatt|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2016

Astro and Planetary Science被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、生命の存在が大気中のCO₂やN₂の濃度を制御する生物学的プロセスによって、居住可能性と居住性が根本的になかば不可分であると主張している。1次元の気候モデルを用いて、同じ太陽放射下でも、温帯、スノーボール、脱水状態といった複数の安定した気候状態が共存可能であることを示しており、これは、生命の存在が惑星の居住可能性を決定づけるため、ExoPlanets探索ミッションで用いられる居住ゾーンの定義に矛盾をもたらす。

ABSTRACT

The dominant paradigm in assigning "habitability"' to terrestrial planets is to define a circumstellar habitable zone: the locus of orbital radii in which the planet is neither too hot nor too cold for life as we know it. One dimensional climate models have identified theoretically impressive boundaries for this zone: a runaway greenhouse or water loss at the inner edge (Venus), and low-latitude glaciation followed by formation of CO2 clouds at the outer edge. A cottage industry now exists to "refine" the definition of these boundaries each year to the third decimal place of an AU. Using the same class of climate model, I show that the different climate states can overlap very substantially and that "snowball Earth", moist temperate climate, hot moist climate and a post-runaway dry climate can all be stable under the same solar flux. The radial extent of the temperate climate band is very narrow for pure water atmospheres, but can be widened with di-nitrogen and carbon dioxide. The width of the habitable zone is thus determined by the atmospheric inventories of these gases. Yet Earth teaches us that these abundances are very heavily influenced (perhaps even controlled) by biology. This is paradoxical: the habitable zone seeks to define the region a planet should be capable of harbouring life; yet whether the planet is inhabited will determine whether the climate may be habitable at any given distance from the star. This matters, because future life detection missions may use habitable zone boundaries in mission design.

研究の動機と目的

• 居住ゾーンを生命とは独立した固定された物理的境界とみなす従来の見方を挑戦すること。
• 特にCO₂とN₂の気圧が居住ゾーンの幅や位置をどのように制御するかを調査すること。
• 同じ太陽放射下でも複数の安定した気候状態（スノーボール、温帯、高温湿潤、乾燥）が共存可能であることを示し、伝統的な居住ゾーンの境界が曖昧になること。
• 生物学的プロセスが主要な大気ガスを制御することで、居住可能性が事前のまたは継続的な居住性に依存することを主張すること。
• 今後の生命探査ミッションがこのフィードバックループを無視する場合、居住ゾーン基準に依存する手法が誤りである可能性があると警告すること。

提案手法

• 太陽放射と大気組成の変動に応じた定常状態気候挙動を再現する1次元放射対流気候モデルを用いる。
• 周星系距離とガス在庫の関数として、安定・不安定な気候状態（例：スノーボール、温帯、高温湿潤、乾燥）をマッピングする分岐ダイアグラムを構築する。
• 温度関数としての水蒸気圧をモデル化するため、Clausius-Clapeyron式を適用し、水蒸気フィードバックを捉える。
• 温室効果ガス（CO₂）と背景ガス（N₂）が放射エネルギーの放射とアルベドに与える影響をモデル化する。
• 質量バランスと反応速度論（例：ヘンリーの法則、炭酸塩沈殿の閾値）を用いて、地質的・生物学的要因による大気CO₂およびN₂の制御を分析する。
• 沈み込み、風化、変質作用といった地質的プロセスと、窒素固定、炭酸塩化といった生物学的フィードバックを、大気ガス予算モデルに統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同じ太陽放射下でも複数の安定した気候状態が共存可能か？ これは居住ゾーンの一意性に疑問を呈する。
• RQ2 大気中のCO₂およびN₂の在庫が、居住ゾーンの幅や位置にどのように影響を与えるか？
• RQ3 大気ガスの濃度が物理的フィードバックではなく、生物学的プロセスによってどれほど制御されているか？
• RQ4 生物が地球化学的循環を通じて、どのように惑星の気候境界を制御するか？
• RQ5 居住可能性と居住性の相互依存性が、今後の生命探査ミッションの設計にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 同じ太陽放射下でも、スノーボール、温帯湿潤、高温湿潤、高温乾燥といった複数の安定した気候状態が共存可能であり、居住ゾーンが一意で明確に定義された領域ではないことを示している。
• 純水蒸気の大気では温帯気候帯の幅が狭いが、N₂およびCO₂が増加すると、アルベドおよび放射移動に与える影響により大幅に広がる。
• 居住ゾーンの位置と範囲は、物理的自己調整がなく、地質学的および生物学的要因によって制御される大気ガス在庫に依存している。
• 窒素固定や炭酸塩化といった生物学的プロセスにより、非生物学的プロセスに比べてCO₂濃度が低く抑えられ、炭酸塩沈殿量が増加する。
• バレンス型の脱水状態への移行は、海洋の喪失と炭酸塩の熱的分解によって促進され、両者とも地球の歴史において生物学的媒介を受けてきた。
• 水蒸気のみを考慮した場合、地球の現在の位置は内側および外側の居住ゾーン境界に極めて近い位置にあり、N₂およびCO₂が気候安定化に果たす重要性が浮き彫りになる。