На этом изображении заката в Индийском океане, увиденном астронавтами на борту Международной космической станции, показан вид с ребра атмосферы Земли, видимой с орбиты. Кредит: НАСА
Когда энергия Солнца достигает Земли, часть солнечной радиации поглощается атмосферой, что приводит к химическим реакциям, таким как образование озона и распад молекул газа. Новый подход к моделированию этих реакций, разработанный группой ученых из Пенсильванского университета, может улучшить наше понимание атмосферы ранней Земли и помочь в поиске пригодных для жизни условий на планетах за пределами нашей солнечной системы.
Исследователи сообщили в журнале JGR AtmSpheres, что использование статистического метода под названием «коррелированный-k» может улучшить существующие фотохимические модели, используемые для понимания условий на ранней Земле.
По словам ученых, этот подход может помочь ученым лучше понять состав атмосферы ранней Земли и сыграет важную роль, поскольку в ближайшие десятилетия появятся новые обсерватории, которые смогут предоставить новые данные об атмосферах экзопланет.
«Один из способов поиска потенциальной жизни в космосе — это поиск биосигнатур», — сказал Джим Кастинг, почетный профессор геолого-геофизических наук Университета Эвана Пью в штате Пенсильвания и соавтор исследования. «Для обнаружения нам нужен какой-то телескоп, который даст нам спектры атмосферы. И тогда фотохимическая модель, подобная нашей, может помочь рассчитать химическое состояние в атмосфере и потенциально найти биосигнатуры. И эти расчеты очень важны для поиска жизни в ней. космос.»
Многие модели, используемые для проведения атмосферных расчетов ранней Земли и экзопланет, подобных Земле, основаны на одномерной (1D) фотохимической модели, разработанной в Университете штата Пенсильвания, объяснил Аошуан Цзи, получивший докторскую степень в области наук о Земле в Университете штата Пенсильвания и проводивший это исследование. в университете. Эта одномерная фотохимическая модель имитирует химию атмосферы вдоль одного вертикального столба.
«Мы считаем важным внести это усовершенствование в нашу фотохимическую модель, чтобы это могло помочь улучшить другие исследования и будущие исследования атмосферы ранней Земли, а также экзопланет, подобных Земле», — сказал Цзи.
По словам исследователей, ультрафиолетовое излучение Солнца играет важную роль в образовании озона в нашей атмосфере. Поскольку молекулы кислорода, состоящие из двух атомов кислорода, поглощают излучение, они могут распадаться на свободные атомы кислорода. Эти атомы затем могут присоединиться к другим молекулам кислорода (O2) с образованием озона (O3). Этот процесс также защищает другие газы в атмосфере от поглощения радиации и разрушения.
Но поглощение трудно смоделировать из-за его сложной структуры на определенных длинах волн, называемой полосами Шумана-Рунге (СР).
«Хорошие модели поглощения СИ в сегодняшней атмосфере уже существуют, но не все из них могут быть пригодны для использования в атмосферах с низким содержанием O2, таких как ранняя Земля», — сказал Джи, который сейчас является научным сотрудником НАСА в Калифорнийском университете в Риверсайде.
Текущая версия Климатической модели сообщества всей атмосферы в Национальном центре атмосферных исследований, например, хорошо моделирует поглощение ультрафиолетового излучения нынешней атмосферой Земли, говорят исследователи. Но при этом не учитывается рассеяние – или то, как частицы в атмосфере отклоняют или перенаправляют поступающую солнечную радиацию – что становится важным при низких уровнях атмосферного кислорода.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте обновления о прорывах, инновациях и важных исследованиях — ежедневно или еженедельно.
По словам ученых, 1D-модель Пенсильванского университета, разработанная Кастингом, включает рассеяние, но основана на устаревшей зонной модели и не учитывает температурную зависимость химических реакций при низких уровнях кислорода.
Команда обратилась к подходу коррелированного k, который широко использовался в других климатических моделях для точной группировки различных длин волн солнечной энергии. По словам ученых, использование подхода коррелированного-k с их одномерной фотохимической моделью повысило ее точность для всех уровней кислорода и температурных профилей.
«Это помогает упростить проблему, группируя длины волн в полосы и предполагая, что внутри каждой полосы поглощающие свойства атмосферы коррелируют предсказуемым образом», — сказал Цзи. «Он обеспечивает баланс — он требует меньше вычислительных затрат, чем некоторые другие методы, но при этом обеспечивает хорошее приближение к тому, как излучение поглощается и рассеивается».
В этой работе также участвовали: Кеннет Миншванер, профессор Горно-технологического института Нью-Мексико; Густаво Паланкар, младший научный сотрудник Национального университета Кордовы в Аргентине; Рафаэль П. Фернандес, профессор, и Орландо Томаццели, докторант Института междисциплинарных наук Национального исследовательского совета Аргентины; Гийом Шаверо, исследователь Женевского университета в Швейцарии; и Маккензи Баркер, студентка Колледжа наук о Земле и минералах.
Информация от: Университетом штата Пенсильвания.
