Zlatolaskin kalkulator JS - kje je torej "ravno prav topla kaša"?
- temperature planeta glede na razdaljo do zvezde, izsev zvezde, odbojnost, emisivnost planeta

- povezava na staro "pravljico" o "poredni" Zlatolaski.

Kalkulator I.
Vstavi podatke (končna pov. tem. planeta je zelo odvisna od albeda 'a' in emisivnosti 'ε' - o kateri odločajo tudi toplogredni plini):

Odbojnost planeta (albedo a):
Emisivnost planeta (emissivity ε):
Razdalja planet - zvezda D (ali R) v astronomski enoti:
Svetlobni tok (izsev) z zvezde L - v enotah Sonca:	..................................
Boš uporabil za L in M spodnje formule (***) ali starejšo	[ enačbo Mzv ≈ Mo(L/Lo)1/3.5: ]

REZULTATI :

Povprečna temperatura ob površju planeta:	[K] ( ali [st. C], gostota iseva zvezde na vrhu atm. planeta Jo: [W/m2])	Kaj je lahko na planetu - ocena?
Ocena polmera zvezde Rzv ∝ Mh v enotah Sonca:	[Ro] || in [km]	Ocena temperature površja zvezde T = (L/Lo)1/4(Ro/R)1/2To: [K]
Maksimalni izsev planeta je pri λpeak_planet = b/T:	[μm]
Kje je naselitvena cona (tekoča voda):	[AE] - torej "ravno prav topla kaša"
Površinska temperatura zvezde, barva, rel. velikost, tip:	....................... - barva in vel. zvezde tipa , tem. [K]	Rel. vel. Sonca - tip G.
Maksimalni izsev zvezde je pri λpeak_star = b/T:	[μm] (če ste vnesli polmer zvezde)

Astronomska enota: AE = 150 10⁶ km, izsev Sonca Lo = 3.827×10²⁶ W, polmer Sonca Ro = 6.96342*10⁵ km, kar je 109 polmerov Zemlje.

Temperaturo površja zvezde lahko recimo določimo tudi preko intenzitete spektralnih absorpcijskih črt, precej natančna metoda +/- 50 K. Polmer take zvezde (z zgornjim izsevom L) je Rzv ≈ R_o(T_o/T)²(L/L_o)^1/2. Spodaj sta še oceni o trajanju fuzije, kako dolgo torej zvezda živi na glavni veji HR diagrama in še ocena mase zvezde.

Zvezda bo na glavni veji HR diagrama "živela" t ≈ toMLo/(MoL) = 10¹⁰MLo/(MoL) let: [10⁹ let] (zgolj ocena)
Ocena mase zvezde Mzv ≈ : [Mo] || v kg [kg]

---

Avtor: Zorko Vičar, 25. jun. 2023

Večina teles seva kot nečrno telo, sevajo neodvisno od smeri (tako imenovani Lambertov sevalec), katerega emisijska sposobnost ε ( T ) ima enako vrednost za vse frekvence (tako imenovano sivo telo). V tem primeru je moč oddanega sevanja ali izsev L za sferično telo kar enak:
L = jS = jA = εσ4πR²T⁴
Emisivnost ε ( T ) je utežena povprečna emisivnost za vse valovne dolžine, utežna funkcija pa je porazdelitev energije črnega telesa. ε ( T ) se spreminja med približno 0,012 in 0,98, odvisno od snovi. Če je emisijska sposobnost odvisna od valovne dolžine, se porazdelitev sevanja ne spremeni le zaradi spremembe Planckove porazdelitve. Zaradi morebitne temperaturne odvisnosti, skupna moč sevanja ni več strogo sorazmerna s četrto potenco absolutne temperature. Za sevalec, v katerem emisija ni neodvisna od smeri ali frekvence, pa je potrebno integrale izračunati posamezno, da se tako določi skupna sferna emisija ε(T) na podlagi ustreznih zakonov. A večina teles le malo odstopa od idealnega Lambertovega sevalca, torej se emisijska sposobnost le malo spreminja v frekvenčnem območju, v katerem telo oddaja opazen del svoje sevalne moči; v teh primerih pa potem lahko uporabimo Stefan-Boltzmannov zakon vsaj približno. Za zvezde in planete to kar dobro velja. Na emisivnost Zemlje močno vpliva tudi sestava atmosfere - recimo koncentracije toplogrednih plinov.


Vroče zvezde so svetlejše in bolj modre, kot hladne, ki so bolj rdeče. Vmes so oranžne, rumene in bele.



Tipi zvezd (O, B, A, F, G, K, M) in njihove površinske temperature ter pripadajoče barve. Rdeče zvezde so hladne (s temperaturami okrog 3000 K), vroče pa modre (s temperaturami nad 30 000 K), vmes pa so vse ostale barve in pripadajoče površinske temperature zvezd.
Kako si pa recimo zapomnite 7 osnovnih tipov zvezd po temperaturah in barvah (O, B, A, F, G, K, M) - recimo kar preko začetnic besed prikupne fraze v angleščini:
"Oh, Be A Fine Girl, Kiss Me"
Rumeno Sonce spada v G tip - je torej "Girl" - s površinsko temperaturo okrog 5769 K. Temperaturo površine Sonca je že leta 1879 pravilno izračunal naš rojak fizik Jožef Stefan - kot prvi na svetu iz lastnega zakona o toplotnem sevanju teles.

Povezava med maso in izsevom je odvisna od same mase zvezde. Enačba L/Lo = (M/Mo)^a in običajna vrednost a = 3.5, velja samo približno za zvezde glavne veje HR diagrama z maso 2Mo < M < 55Mo in ne velja za rdeče velikanke ali bele pritlikavke. Ko se zvezda približa Eddingtonovemu izsevu, je a = 1. Eddingtonov izsev, imenovan tudi Eddingtonova meja, je največji izsev, ki ga telo (kot je zvezda) lahko doseže, ko obstaja ravnotežje med silo sevanja, ki deluje navzven in gravitacijsko silo, ki deluje navznoter. Lo je izsev Sonca, Mo pa masa Sonca.
(***)
Če povzamemo, so razmerja (med L/Lo in M/Mo) za zvezde z različnimi razponi mas v dobrem približku naslednja:

L/Lo ≈ 0.23(M/Mo)2.3       ( M < 0.43 Mo ) 
L/Lo = (M/Mo)4             ( 0.43 Mo < M < 2 Mo ) 
L/Lo ≈ 1.4(M/Mo)3.5        ( 2 Mo < M < 55 Mo )
L/Lo ≈ 32000(M/Mo)         ( M > 55 Mo ) 

Zapišimo nekaj podatkov, ki jih rabimo za izračune, ocene:
- Štefanova konstanta je: s_o = 5.670400(40)*10^-8 W.m^-2.K^-4,
- razdalja Zemlja-Sonce AE je približno: a_o = 149.6 milijonov km,
- povprečen polmer Zemlje je: r_z = 6371.0 km, - polmer ekvatorja Sonca je: r_o = 6.96342*10⁵ km, kar je 109 polmerov Zemlje.
- gostota energijskega toka iz Sonca, ki pade na povšino atmosfere Zemlje: j_o = 1366 W/m²
- izsev Sonca je P_Son = L_Son = Lo = 4πRo² jo = 4πRo² j_{na_Zemlji}(AE/Ro)² = 4πRo² σ × To⁴ = 3.827×10²⁶ W.
- spreminjanje gostote svetlobnega toka glede na lego Zemlje na orbiti okrog Sonca:
j_max = 1367 * (1 + 0.03344 * cos(gama-0.048869))

Temperatura in tekoča voda
Vemo, da življenja kot ga poznamo, ni brez tekoče vode. Torej pričakujemo na planetu življenja temperature nad 0 °C, oz. nad 273 K in precej pod vreliščem. To dejstvo na večjem delu Zemljine površine tudi drži – naš planet krasi tako sladka voda, jezera, reke, potoki, kot slana morja, oceani, ogromno je je akumulirane tudi v živih bitjih, v zraku, v ledu (severni in južni tečaj, ledeniki, snežna odeja), tukaj je še izjemno pomemben padavinski vodni krog ..., vse to poganja energija Sonca.

In zakaj je na Zemlji temperatura v povprečju okrog 288 kelvinov?

Sonce s površine, po Stefanu, seva gostoto energijskega toka J = σT⁴, na razdalji astronomske enote AE do Zemlje pa ta gostota pade na vrednost Jo = σT_☉⁴4πR_☉²/(4πAE²) = 1366 W/m² . Koliko gostote energijskega toka prejme Zemlja od Sonca, določa torej sama razdalja »Zemlja – Sonce« (to je AE = 150 milijonov km).

Seveda se zaradi gibanja Zemlje po elipsi ta vrednost čez leto nekoliko spreminja. Koliko energije pade na dani košček Zemljine površine pa je odvisno še od geografske širine in lege Zemlje na orbiti (zaradi nagnjenosti 23.5 ° osi vrtenja in delno eliptične orbite) ter od absorpcije in odbojnosti. Seveda se s časom spreminja tako orbita, nagnjenost osi Zemlje, delno tudi izsev Sonca (na dolgi skali in v ciklih okrog 11 let) – od tod primarne podnebne spremembe, ostali sekundarni vplivi so vezani na aktivnost Zemlje, vulkani, tudi velik vpliv človeka (fosilna goriva) na atmosfero, od živali, rastlin, trki z asteroidi, kometi ... Če pa pogledamo Zemljo kot celoto - pa velja, da do Zemlje prispe (1 - a)JoπRz² energijskega toka (a je albedo ali odbojnost), Zemlja pa odda po celotni površini sevalni energijski tok εσTz⁴4πRz² (pomagajte si s sliko spodaj, ε je izsevnost). V ravnovesju velja, da je prispeli energijski tok s Sonca enak oddanemu energijskemu toku iz Zemlje. Parameter a je povprečen albedo Zemlje (znaša 0.3 in je posledica odbojev od atmosfere, oblakov, oceanov, snega, ostalih površin), ε pa efektivna izsevnost (za Zemljo je ε = 0,612, določa jo tudi sestava atmosfere!!!). Če oba izraza izenačimo in izračunamo efektivno temperaturo Zemlje, dobimo vrednost Tz = 288 K (to je +15 °C, seveda kje več, kje manj, tukaj so še nihanja skozi letne čase). Razdalja »Zemlja – Sonce« je torej ravno taka (in sestava našega planeta), da je efektivna temperatura površine Zemlje ravno dovolj visoka (288 K), da je voda v tekočem stanju. Izsevnost ε črnega telesa je 1 – Zemlja pa na srečo ni črno telo. Izračunana temperatura 288 K je skoraj za 10 °C višja od teoretične za črno telo in to predvsem zaradi toplogrednih plinov - vodne pare, ogljikovega dioksida, metana, ozona ... Izračun izvedite sami za ε = 1 in a = 0 (ali za primer, ko sta odbojnost in izsevnost enaki, tako da bi veljalo: a + ε = 1). Si predstavljate za skoraj 10 °C nižje temperature. Če bi pa pustili albedo 0.3 in izsevnost 1, pa bi bila temperatura Zemlje samo 255 K ( to je - 18 °C, glejte slike). Za Zemljo velja, da odbojnost in izsevnost nista enaki, tako da velja: a + ε < 1. Razlog je, da se prihajajoče sevanje kratkih valovnih dolžin (okrog 390–700 nm – vidni spekter svetlobe) drugače odbija in absorbira, kot dolgovalovno izsevano elektromagnetno valovanje z Zemlje (to je okrog 10000 nm = 10 µm valovne dolžine in tudi več, infrardeč del spektra), ki ga nekaj več absorbira atmosfera (izsevnost se zato zmanjša napram odbojnosti prihajajočih sončnih žarkov) in se tako posledično nekoliko segreje atmosfero ter tla (ravnovesje se zato vzpostavi pri višji temperaturi, v višjih plasteh atmosfere). Brez toplogrednih plinov torej ne bi bilo življenja, no – preveč jih tudi ne sme biti ... Ozračje tvori neke vrste plašč, obleko našemu planetu. Podobno kot se segreje avtomobil ali topla greda na soncu. Ko žarki vročega Sonca prodrejo do tal, jih segrejejo, tla, oziroma ostale površine, pa nato sevajo pri nižji temperaturi in torej daljših valovnih dolžinah (velja Wienov zakon, ki povezuje temperaturo in valovno dolžino maksimalnega izseva:
λ = b/T,
kjer je konstanta b = 2897768,5 nm•K), ki pa jih recimo steklo delno zadrži v prostoru (absorbira in delno seva nazaj). Enako velja za zrak. Seveda se na koncu zmeraj vzpostavi ravnovesje (enakost prispele in oddane energije), a pri višji sevalni temperaturi tople grede (enako velja za Zemljo kot celoto).

Ker smo že omenili Wienov in Stefanov zakon, lahko podamo še enačbo za izračun ocene polmera zvezde, v kateri poteka fuzija (glavna veja HR diagrama). Po Stefanu za izsev zvezd velja enačba L = JS = σT⁴4πR², za Sonce pa L_☉ = σT_☉⁴4πR_☉². Če enačbi delimo in iz kvocienta izrazimo polmer zvezde (R), dobimo izraz:
R = R_☉(T_☉/T)²(L//L_☉)^1/2
Izsev zvezde L določimo iz sija (J) in razdalje do zvezde, temperaturo površine zvezde pa lahko ocenimo iz njenega spektra (tudi Wienovim zakonom nam pride prav). To je še en dokaz, kako pomemben je Stefanov zakon in kaj vse nam omogoča izluščiti o oddaljenih svetovih.

Občutljivost vida živih bitij se je prilagodila tistim valovnim dolžinam, kjer Sonce seva najmočneje (iz Wienovovega zakona je ta vrednost λ = 2897768,5 nm•K /5778 K = 501.5 nm – to je zeleni del vidnega spektra svtlobe). Ta valovna dolžina torej ne sovpada slučajno z najbolj občutljivim delom vidne spektralne ostrine kopenskih živali, tudi človeka. To je še ena potrditev enosti, soodvisnosti življenja in danosti iz bližnjega okolja in oddaljenega vesolja.

V splošnem velja za poljubno zvezdo z izsevom L, da je na razdalji R_np vstran od zvezde, kjer je gostota energijskega toka enaka kot pri Zemlji Jo = L_☉/(4πAE²) = 1366 W/m2, moč pričakovati tekočo vodo in posledično nastanek življenja. Velja torej:
L/(4πR²_np) = L_☉/(4πAE²)
Območje naselitvene cone neke zvezde je torej pri razdalji Rnp (v astronomskih enotah AE):
R_np = AE(L/L_☉)^1/2
AE je astronomska enota (razdalja »Sonce – Zemlja«, 150 milijonov km), L_☉ je izsev Sonca (L_☉ = 3.828×10²⁶ W), L je izsev poljubne zvezde.

Na zgornji sliki je zgolj simbolično podan ogljikov dioksid kot toplogredni plin, ki absorbira del dolgovalovnega sevanja Zemlje in ga izseva nekaj nazaj proti površini Zemlje. Zelo pomembna toplogredna plina sta tudi še metan in vodna para - slike spodaj. Spodnje slike kažejo temperaturo na površju Zemlje brez toplogrednih plinov (Zemlja bi bila ujeta v led, minus -18 °C pri izsevnosti 1) in s toplogrednimi plini (povprečna temperatura plus +15, oz. +16 °C, kar omogoča tekočo vodo in nastanek življenja).



Zgornje slikice zelo lepo kažejo velik pomen toplogrednih plinov za temperature nad 0 °C, da je tako na Zemlji lahko prisotna tekoča voda, ki je omogočila razvoj čudežnega življenja. Toplogredni plini, molekule plinov, vsrkajo del izsevanih toplotnih valov, ki jih sevajo površina Zemlje in delno zračne mase in jih tako naknadno delno sevajo nazaj proti tlom (od tod višja temperatura prizemne plasti), del valovanja pa seveda izsevajo v vesolje (drugače bi se skuhali ...). Seveda pa so previsoke koncentracije toplogrednih plinov lahko velik problem zaradi trenutnega globalnega segrevanja - a trenutno je še veliko večji eksistencialni problem samo onesnaženje zraka, vode in samih tal (recimo hormonski motilci, ki spreminjajo identiteto človeka, živali in rastlin). Morebiti pa nas kdaj toplogredni plini rešijo pred ledeno dobo, če seveda preživimo kot vrsta.
Sledi kviz življenja!
A veste, kateri toplogredni plin je omogočil pred milijardami let razvoj prvih enoceličnih bitij, tudi cianobakterij? To je bil toplogredni plin metan, ki je držal temperaturo nad 0 ° C! A veste kdo je razbil molekule metana (pred približno 2.4 do 2.1 milijarde let) in tako povzročil dolgo globalno huronsko poledenitev Zemlje (brez metana je temperatura padla pod 0 ° C, saj se je emisivnost, izsevnost povečala, posledično nastali ogljikov dioksid je manj toplogreden in ga je bilo zato premalo, da bi preprečil ohlajanje Zemlje). To je bil kisik, ki so ga preko fotosinteze sproščale cianobakterije. V času huronske globalne ledene dobe, se je razvoj življenja ustavil, nekaj življenja je ostalo le v oceanih pod ledom. Ali veste, kdo je to globalno ledeno dobo počasi končal (ledena doba je namreč ustavila fotosintezo ...)? To je bil današnji glavni grešni kozel, toplogredni plin CO₂, ki so ga počasi v ozračje Zemlje bruhali vulkani - res poučno. In vse ostalo je zgodba zadnjih poznih 500 milijonov let (ko je kisik v zraku končno lahko narastel daleč čez 10 %), ko so nastala mogočna mnogocelična bitja, tudi človek, ki končno lahko dihajo veliko bolj energijsko učinkovit kisik ( recimo za presnovo, oksidacijo glukoze). Kisik je seveda proizvod fotosinteze s strani cianobakterij, alg, velikih rastlin. Na začetku nastanka Zemlje pa je bil ves kisik kje? Prostega v zraku ni bilo. Zaradi izjemne reaktivnosti pa je bil ves vezan v vodo, v CO₂, v metan, v minerale, pozneje v organske molekule, v železo ... (kot smo že omenili, v zraku ga praktično ni bilo). Zemlja je torej morala najprej dolgo zoreti in dozoreti - v kar skoraj štiri milijarde let dolgi dobi, da so tako komaj pred "kratkim" sploh lahko nastale visoko razvite oblike življenja, najprej v vodi, pozneje tudi na kopnem – to so recimo primati, človek z izjemnimi možgani ...

Grafični prikaz razlage čudeža življenja, ki temelji na zvezdnem izsevu (L) za napovedovanje lokacije bivalne cone okoli različnih tipov zvezd. Planet torej mora potovati po orbiti, kjer je gostota energijskega toka podobna kot pri Zemlji, to je okrog 1400 W/m² (če predpostavimo podobno strukturo in sestavo eksoplaneta kot jo ima Zemlja). Problem masivnejših zvezd je (kot smo že izpeljali) krajša doba stabilne fuzije, stabilnega izseva – s tem se življenju skrajša doba razcveta v kompleksna bitja, primate, recimo podobne človeku. Manjše zvezde in posledično bližnji planeti primerni za življenje, bi pa bi lahko imeli težave z izbruhi plazme.

Drugi nauk – planet mora biti toliko oddaljen od matične zvezde, da so temperature na planetu nekoliko višje od 273 K, a ne previsoke (vsekakor precej pod vreliščem vode, ki je seveda odvisno od tlaka)! Seveda – planet mora imeti tudi atmosfero in ne preveč toplogrednih plinov.

Brez kisikove atmosfere ni visoko razvitih bitij – a komaj pred 600 milijoni let je Zemlja ustvarila atmosfero, ki nam omogoča dihanje

Kako je prišla voda na naš planet, še ni čisto dorečeno, preko kometov, asteroidov, delno vulkanov ..., tudi prostega kisika na začetku ni bilo v atmosferi (saj se zelo rad veže, recimo v vodo H₂O, ogljikov dioksid CO₂, na železo (rja) in druge molekule, v organske snovi, tudi v našem telesu je masno gledano največ kisika). Pred dobrimi tremi milijardmi let so bili na Zemlji prisotni anaerobni organizmi (ki ne potrebujejo kisika za rast). Za kisik v atmosferi so poskrbele, saj vemo kdo in kako, rastline preko fotosinteze (se spomnimo še iz šole, poenostavljeno velja: nepogrešljivo sonce da energijo, svetloba razbije molekule vode => voda kot donor elektronov 12H₂O + ogljikov dioksid 6CO₂ = ogljikov hidrat, npr. glukoza C₆H₁₂O₆ + kisik 6O₂ + 6H₂O – v resnici je proces malo bolj zapleten). Ko živali ali ljudje pojemo tako rastlino pa je proces obraten – poteka oksidacija glukoze. Povedano je formula prehranjevanja in rasti.
Za ozadje še malo biologije. Evkarionti so praktično vse rastline in živali, medtem ko so prokarionti bakterije in arheje. Širše sprejeta kronologija velike oksigenacije kaže, da so prosti kisik najprej proizvajali prokariontski organizmi (cianobakterije, oz. v slovenščini imenovane modrozelene cepljivke, postopoma so omogočile razvoj aeorobnih organizmov, ki potrebujejo kisik), šele kasneje se pojavijo evkarionti, sposobni fotosinteze, ki kisik proizvajajo kot stranski produkt. Ti organizmi (cianobakterije) so živeli že veliko pred veliko oksigenacijo, verjetno že pred 3,5 milijardami let. Nastali kisik proizveden preko cianobakterij je bil pred milijardami let, na začetku nastanka preprostega življenja - prokarionti - hitro odstranjen iz prvotne atmosfere po reakciji z minerali, z železom ...
Raztopljeno železo v oceanih dokazuje ponore O₂ (pretvorba v Fe₃O₄). Prosti kisik, proizveden v tem času, je kemično zajelo raztopljeno železo. Cel proces pretvori železo Fe in Fe²⁺ v magnetit ( Fe²⁺ Fe₂³⁺ O₄^2-), ki je v vodi netopen in se je potopil na dno plitvega morja (morja so tako postala bistra), kjer so se zato na dnu ustvarile trakaste formacije železa, kakršne najdemo v Minnesoti in Pilbari, Zahodni Avstraliji. Potrebno je bilo 50 milijonov let ali nekaj več, da so se ponori kisika izčrpali. Danes je povprečen čas, ko molekula O₂ preživi v zraku, preden jo geološki ponori porabijo, približno 2 milijona let.
Ko se je po domače oksidiralo vse kar se je dalo, se je lahko začel kisik hitro kopičiti. Prosti kisik je "strupen" za anaerobne organizme (ki ne potrebujejo kisika za rast), ki so bili do takrat večinska oblika življenja. Cianobakterije so bile torej tudi odgovorne za najobširnejše izumrtje v zgodovini Zemlje. Dviganje koncentracije kisika v atmosferi je povzročilo izumrtje večine takratnega življenja. Prvi del oksigenacije se je zgodil pred približno 2,3 milijarde let, ko se kisik ni več porabljal za oksidacijo mineralov, železa ... - bilo je že vse oksidirano.


Nazoren graf prikazuje razvoj atmosfere glede na koncentracijo kisika in razvoj življenja na Zemlji skozi milijarde let. Najpomebnejših je zadnjih 600 milijonov let, ko je kisik narastel čez 10 % in je omogočil razvoj vretenčarjev - velikih živali, tudi primatov - ljudi. Seveda so pomembne tudi ostale faze, tudi razvoj rastlin, ki so pospešile oksigenacijo - relativno hiter prirast kisoka O₂.
Vir: https://www.wikiwand.com/en/Talk:Great_Oxidation_Event
V tej časovni skali stabilnosti izseva Sonca moramo iskati možnost razvoja visoko razvitih bitij na Zemlji. Ali se pri drugih zvezdnih sistemih (z eksoplaneti), kjer pričakujemo življenje - podobno kot na Zemlji - odvija podoben scenarij, časovno, kemijsko.


Zemlja v obdobju huronske poledenitve. Precej hladno ...

Sprememba ozračja je s sabo prinesla tudi podnebne spremembe. Novo nastali prosti kisik je reagiral z metanom CH₄ (močan toplogredni plin), nastal je ogljikov dioksid (šibkejši toplogredni plin) in voda. Koncentracija metana v atmosferi se je močno zmanjšala (zato se je Zemlja začela ohlajati), kar je sprožilo huronsko poledenitev (pred 2.4 do 2.1 milijarde let) in verjetno najdaljše obdobje celotne poledenitve planeta v zgodovini. Poledenitev je trajala od 300 do 400 milijonov let.
IN - kako se je ta ledena doba končala - zanimiv scenarij. Med huronsko ledeno dobo naj bi bila Zemlja prvič popolnoma prekrita z ledom, ki je praktično ustavila fotosintezo. Zelo se je povečala odbojnost (albedo) Zemlje. Kako se je torej končala ta ledena doba. Ker ni bilo fotosinteze, ni bilo ponorov CO₂, ta toplogredni plin se je torej kopičil iz vulkanskih izbruhov in počasi se je začela atmosfera segrevati in led se je začel tajati. Zanimivo - CO₂ nas je že rešil pred ledeno smrtjo - a nas bo tudi pokopal v vročini tople grede ...? Geološki dokazi so - ledeniške strukture po vseh kontinentih v tistem obdobju (zdrobljeni kamni, "tiliti" - kamnina, ki jo sestavljajo nahajališča na območju ledeniškega roba, stranska, končna ali talna morena - v tem smislu so tiliti geološko stara, že strjena balvanska glina (sedimente odkril Arthur Philemon Coleman leta 1907 pri jezeru Huron v Severni Ameriki).


Razlaga poledenitve (cianobakterije so razvile kisikovo fotosintezo, pojavi se molekularni kisik O₂, ki oksidira močno toplogredni metan CH₄ v ogljikov dioksid in vodo ( CH₄ + 2 O₂ ==> CO₂ + 2 H₂O ); CO₂ je manj toplogreden plin (zemlja se zato ohlaja) in zato se pojavi ledena doba ... In kako se konča ledena doba - vulkani kopičijo CO₂ v zraku, ni ponorov, ker ni fotosinteze, temperatura se zato viša in počasi konča ledeno dobo ... Desno je slika karbonatne plasti nad ledeniškimi sedimenti v Namibiji (v ledeniških plasteh pa ni videti določenih izrazitih karboatnih usedlin - ker se je ogljikov cikel ustavil).
Še kratka definicija ogljikovega cikla. Kroženje ogljika je premeščanje ogljika med zemeljsko skorjo, organizmi, hidrosfero in atmosfero.


Dolgoročni geokemični krog (cikel) ogljika - nalaganje karbonatnih plasti je torej umanjkalo med Zemljo ujeto v led - ko je bila Zemlja kot snežna kepa. To se opazi v plasteh tal, v sedimentih, nanosih ledenikov po vseh celinah.
Silikatno preperevanje:
CaSiO₃ + H₂O + 2CO₂ ==> Ca (HCO₃)₂ + SiO₂
SiO₂ (kremenčev pesek) in CaCO₃ (kalcijev karbonat) prideta pod zemeljsko skorjo s subdukcijo (podrivanje tektonskih plošč). Tam jih toplota stopi in reagirajo na silikat in CO₂, ki preko vulkanov nato pridejo do zemeljske površine. Ta cikel se imenuje karbonatno-silikatni cikel. Več CO₂ je vezanega kot izpuščenega, tako da se vsebnost CO₂ v ozračju zmanjša.
Kalcit se obori iz nasičene raztopine kalcijevega hidrogenkarbonata s povečanjem vrednosti pH, ki sprošča CO₂.
Če apnenec pride v kontakt z drugo kislino, na primer žvepleno kislino, ki lahko nastane iz vodikovega sulfida in žveplovega dioksida, ki ga vulkani sproščajo z oksidacijo in reakcijo z vodo, se CO2 sprosti v ozračje:
CaCO₃ + H₂SO₄ ==> CaSO₄ + H₂O + CO₂


Nalaganje kisika O₂ v zemeljski atmosferi (v procentih). Rdeča in zelena črta predstavljata skrajni meji ocen, čas pa se meri v milijardah let nazaj (Ga).
1. stopnja (3,85–2,45 Ga): V ozračju praktično ni O₂. Oceani so bili večinoma brez kisika (anoksični), z izjemo O₂ v plitvih oceanih.
Faza 2 (2,45–1,85 Ga): proizvedeni O₂ se je zvišal do vrednosti 0,02 do 0,04 atm., vendar se absorbira v oceanih, v kamninah na morskem dnu (proizvajajo ga arheje in bakterije - cianobakterije) - pred približno 2,4 milijarde let verjetno povzročila izumrtje večine anaerobnih organizmov, celično dihanje, ki uporablja kisik pa je omogočilo aerobnim organizmom, da proizvedejo mnogo več ATP (adenozin trifosfat je koencim - služi kot vir energije pri različnih procesih v celicah) kot anaerobni organizmi, kar je pripomoglo k njihovi kasnejši prevladi v Zemljini biosferi.
Faza 3 (1,85–0,85 Ga): O₂ se začne izločati iz vode, oceanov, vendar ga absorbirajo kopenske površine. Ni bistvene spremembe ravni kisika v atmosferi, a nastane že ozonska plast.
4. in 5. faza (0,85 Ga - danes): nasitijo se drugi ponori O₂; plin se kopiči v ozračju. Pred približno 300 milijoni let je vsebnost kisika v ozračju dosegla svoj višek 35 vol %, kar je morda pripomoglo k razvoju ogromnih žuželk in dvoživk (najdeni fosuli).
Vir: wiki


Časovnica razvoja življenja v milijonih let.
Vir: wiki

Vrnimo se 600 milijonov let nazaj - na razcvet rastlin, posledično povečanje kisika in nastanek življenja na kisik.
Kisika je bilo »naenkrat« v zraku zelo veliko in kaj sedaj? Nastal je recimo zaščitni ozon O₃ pred UV sevanjem in ker je bilo v zraku še zmeraj ogromno odličnega oksidanta kisika, so se lahko pojavile nove zelo uspešne oblike življenja, veliki vretenčarji (in to pred približno 600 milijoni let), ki so vezane na kisik. Tudi ljudje smo potomci teh prvih preprostih živali na kisik. Z merjenjem izotopov selena v kamninah se je razkrilo, da je bilo potrebnih 100 milijonov let, da se je količina kisika v atmosferi povzpela z manj kot 1% na več kot 10 % (danes blizu 21 % O₂). To je bil najpomembnejši dogodek oksigenacije v zgodovini Zemlje, ker je sprožil obdobje življenja velikih živali, ki traja do danes (kisik je zelo dober oksidant, vsi poznamo energijo ognja in je torej energijsko pomemben tudi pri oksidaciji hrane, glukoze - C₆H₁₂O₆, v ogljikov dioksid in redukcija kisika v vodo). Zemlja je torej rabila okrog 3 milijarde let za tvorbo kisikove atmosfere, ki nam omogoča življenje. Življenje sicer obstaja že vsaj 3,5 milijarde let (spet nekateri trdijo, da se je kemija, ki vodi v življenje, morda začela kmalu po velikem poku, pred 13,8 milijarde let, v dobi, ko je bilo vesolje staro komaj 10 – 17 milijonov let). Ocenjuje se tudi, da je več kot 99% vseh vrst (število vseh vrst presega pet milijard), ki so kdaj živele na Zemlji, izumrlo. Vsaj petkrat je sam obstoj življenja na Zemlji visel na tanki nitki. Sedanjo geološko dobo pa nekateri celo imenujejo »antropocen« – saj je človek tisti, ki v temelju spreminja obraz planeta in z ekološko spornimi lomastenji po krhkem ravnotežju planeta ogroža tako sebe, kot mnoge ostale oblike življenja (nas je že 8 milijard ...). Znanost - človek, je tokrat pred največjim izzivom – če bomo še hoteli sanjati o raziskovanju vesolja, oddaljenih svetovih, civilizacijah, bomo najprej morali rešiti življenje na Zemlji, v temelju spremeniti naše navade (zaščititi svoj genom in »genom« celotnega ekosistema) in poiskati neinvazivne energetske vire (zvezde nam kar na pladnju ponujajo eno izmed rešitev – fuzijo, reaktor ITER je žal zaradi odlašanja še daleč od testnega delovanja, grafen (čisti ogljik v atomski ravnini iz heksagonov) pa se trenutno kaže kot potencialni kandidat za zmoglivejše in manj invazivne baterije), enako velja za brutalno rudarjenje – tudi tukaj se bomo morali samo omejiti. Veliko se tudi razmišlja o rudarjenju na Luni – a zadaj je še zmeraj veliko zelo slabih energijskih (transport) in pravnih rešitev.

Pri iskanju življenja na eksoplanetih drugod po vesolju, ni dovolj, da najdemo eksoplanet, podoben Zemlji po velikosti. To je le eden od prvih pogojev, ki vključuje še trdno površje in atmosfero ter lego v življenjskem pasu matične zvezde, ki omogoča obstoj tekoče vode na njegovem površju. A tudi vse to, je le prvo grobo sito. Ali bo na nekem planetu nastalo in se razvilo življenje, pa je odvisno še od marskaterih dejavnikov. Nekaj najpomembnejših opisujemo v tem prispevku in v ostalih člankih na temo potepuhov in velike kojunkije 2020 (vir: NASA / Kepler Team).

Trenutno ni znanstvenega soglasja o tem, kako je nastalo življenje. Vendar večina sprejetih znanstvenih modelov še zmeraj temelji na Miller-Ureyjevem poskusu in delu Sidney Fox, ki kažeta, da so že prvotni pogoji na Zemlji bili dovolj ugodni za ustrezne kemijske reakcije. Te reakcije sintetizirajo aminokisline in druge organske spojine iz anorganskih snovi in se tako spontano tvorijo fosfolipidi iz lipidnih dvojnih plasti, ki tvorijo osnovno strukturo celične membrane. Zadaj stojijo zapletena in predrzna ugibanja, kako je sploh prišlo do (samo)organizacije celic in njihove delitve – genetskega zapisa DNK (v obliki dvojne vijačnice, heliksa), predpisa ki posamezni vrsti pove, kako se razvije, raste, rodi in živi. Nekateri poudarjajo sebični gen, drugi spet sodelovanje med celicami in solidarnost med pripadniki posamezne vrste, seveda v naravi opazimo obe skrajnosti ... Zanimiva je tudi hipoteza, da po vsem vesolju obstaja mikroskopsko življenje - ki ga recimo s sabo nosijo kometi, asteroidi in druga majhna telesa Osončja (nekateri celo iščejo vzor - stavijo na tardigrade, t. i. počasne "medvedke", ki so izjemno odporne mini živalce, ki so skoraj 'neuničljive', saj jih lahko skuhamo, zamrznemo ali zmečkamo, pošljemo v vesolje, v vakuum, pa bodo še vedno preživele – o tem je pisala tudi stran APOD).


Ena najbolj trdoživih oblik življenja s tako imenovani tardigradi ali vodni medvedki, mikroskopske živalce, ki jih najdemo praktično povsod na Zemlji, od gorskih vrhov do morskih globin, od vulkanskih žrel do Antartike, če omenimo le najbolj ekstremna okolja ( vir: E. Schokrahie in sodelavci).

Tukaj je še »čudež« t. i. negativne entropije (uvedel jo je znameniti kvantni fizik Erwin Schrödinger). Zakaj? Princip življenja je namreč ravno nasproten procesom v mehaničnem, neživem svetu, kjer se entropija (nered) samo povečuje (poznana je zgodba o toplotni smrti vesolja – izenačenje temperatur) – a pri življenju se začuda lokalno in začasno entropija manjša in posledično veča red. Zakaj? Vsako bitje je namreč »maksimalno« urejeno, povečuje red – recimo, ko se delijo celice, ko odrašča … Na ta stara vprašanja »od kod vis viva (življenjska sila – nastanek življenja)« nimamo odgovorov – so pa ta vprašanja ključna za naše preživetje, za samo raznolikost narave. O problemu entropije v vesolju smo v Spiki že pisali (Spika 12/2013). Nekateri vidijo ravno v ustvarjalnem življenju varovalko pred entropijskim koncem vesolja, koncem časa v mrazu niča. Vrnimo se k življenju – nastanku le tega! No - nekateri trdijo, da je že vse jasno, odgovorjeno zgolj s pojmom samoorganizacije atomov …, da torej (samoorganizacija) vse pojasni!

Ali res? Za mnoge je to tak odgovor, dokaz, kot če bi recimo na vprašanje, zakaj je juha hladna, odgovorili, zato ker ni vroča. S temi vprašanji bivanja, nastanka bivajočega - osebka, skupnosti in zavedanja, so se ukvarjali praktično vsi pomembnejši fiziki, kemiki, biologi, zdravniki, misleci … v zgodovini človeštva (in se na nek način zavestno ali podzavestno ukvarjamo praktično vsi, ki nam je dano živeti in skozi vzgojo ujeti nit zgodovine, ki nas povezuje tako z vedenjem in vprašanji prednikov in seveda sodobnikov)! A so vzorci morebitnega življenja na »eksopotepuhih« podobni – a tudi tam odloča o življenju visoko razvitih bitij kisik …? Zagotovo je to velika verjetnost – a ni nujno!

Za nastanek in ohranitev življenja ni dovolj le voda, ozračje, ampak tudi magnetno polje.

A vse kar se moramo (na)učiti o kompleksnosti življenja skozi dolga leta šolanja, se ne bi razvilo, saj ne do tako razvitih bitij, kot so primati, če ne bi bilo okrog Zemlje »nevidnega« šibkega magnetnega polja, ki nas dodatno in bistveno varuje (presenetljivo - brez nevidnega relativno šibkega magnetnega polja nas torej tudi ne bi bilo). Magnetno polje Zemlje namreč ustavlja hiter Sončev veter nabitih delcev, da tako ne razredči atmosfere, recimo na nivo Marsove (polariteta magnetnega polja Zemlje se je tudi večkrat obrnila). Mars nima magnetnega polja in je tako sončev veter s časom večino atmosfere odpihnil - tlak je le 1/100 Zemljinega in tam so pogoji za življenje porazni (saj z vidika Zemlje, človeka – lahko pa, da je bil v preteklosti Mars življenju kaj bolj prijazen). Seveda - zdi se kar samoumevno - tudi sam zrak, atmosfera, kot smo že povedali, nas dodatno ščiti pred sevanji in hitrimi delci iz vesolja, nam daje tudi možnost dihanja (posledično oksidacije, ki nam daje energijo), omogoča prepotreben vodni krog, preko učinka tople grede dviguje temperaturo na vrednosti, ki so življenju prijazne ...

Zemljino magnetno polje generira geodinamo - to so konvekcijski tokovi tekoče kovine v Zemljinem zunanjem jedru, ki jih poganja toplotni tok iz notranjega jedra. Oblikovani so v zvitke (zaradi Coriolisove sile) in povzročajo kroženje električnih tokov, ki ustvarjajo magnetno polje (vrednosti so sicer skromne, od 24 do 66 µT, a dovolj visoke, da je prav to magnetno polje je ohranilo življenje na Zemlji). Planet torej ne sme biti premajhen, kot je recimo Mars, saj le ta že zgodaj izgubil dinamo efekt. Nekateri modeli tudi kažejo, da je problem Marsa lahko v tem, da sta njegovi luni premajhni, da bi preko plimskih sil sprožili dinamo efekt, kot (baje) to naredi naša Luna Zemlji (jo gnete in delno utekočinja). Spet drugi menijo, da notranje jedro Marsa nima dovolj toplote, da bi sprožilo konvekcijo, ki bi ohranila Marsovo magnetno polje - ki pa je vsaj nekaj 100 milijonov let tudi obstajalo.


Šele v zadnjih desetletjih se pravzaprav v resnici zavedamo, kako pomemben ščit za življenje je magnetosfera. Na sliki so označeni njeni posamezni segmenti:
- 1 udarni val (nastane na strani, ki je obrnjena proti Soncu),
- 2 območje magnetnih vrtincev, kjer se mešajo vplivi medplanetarnega prostora in zunanjih robov Zemljinega magnetnega polja,
-3 magnetopavza (meja med Zemljinim magnetnim poljem in medplanetnim prostorm),
-4 magnetosfera,
-5 severno območje, kjer se magnetno polje podaljša v rep,
-6 južno območje , kjer se magnetno polje podaljša v rep,
-7 notranja magnetosfera
(vir: Dennis Gallagher and Frederic Michel).

Seveda – tudi sama Luna ni nosilka življenja, čeprav leži v naselitveni coni, je precej majhna (s skromno gravitacijo) in praktično nima atmosfere. Morebiti pa se bo človek naselil na Luni (skupaj z mikroorganizmi, bakterijami, virusi) – a v posebnih, dobro izoliranih bivališčih z mikroklimo podobno na Zemlji!

Da smo še malo aktualni. Življenje, vesolje, gledano mimo optike človeške morale in filozofije, daje pravico sobivanja tako ljudem, ostalim živalim, rastlinam, kot bakterijam in virusom. Danes vemo, da človeško telo ne deluje zgolj zaradi lastnih celic, ampak mu pomaga kar okrog 57 % samostojnih mikroorganizmov (to je številčni delež). Novejša spoznanja tako korenito spreminjajo razumevanje bolezni, alergij in drugih zdravstvenih stanj ter načinov, kako se medicina loteva zdravljenja in definicijo zdravja. Mikroorganizmi so torej ključni za zdravje in počutje. Črevesna flora ima delno prste vmes celo pri depresiji in avtizmu. Ne glede na to, kako pogosto in kako natančno se umivate, skoraj vsak kotiček in špranja vaše kože sta vselej prekrita z mikroskopskimi kreaturami – bakterijami, virusi in glivicami. Največje koncentracije nečloveških celic so v črevesju. Miške, ki so jedle iztrebke debelih ljudi, torej so zaužile njihove črevesne mikrobe, so se večinoma redile, ostale pa ne. Poleg bolj ali manj idiličnega sobivanja pa seveda med visoko razvitimi bitji in ostalimi (tudi virusi, bakterijami) poteka stalen konflikt znotraj prehrambne verige in iskanja prostora pod "soncem" za preživetje in nadaljevanje vrst. Seveda - človek vidi, recimo zloglasni korona virus, kot bolezen - kar pa je pričakovano in s stališča logike preživetja povsem upravičeno - le kdo si želi trpljenja, izgube bližnjega, lastne prekinitve pogleda v zvezdno nebo.

Da pa pojem korona ne bi imel samo negativne konotacije pa se tokrat spomnimo še na prekrasno Sončevo korono, ki jo v vsej svoji lepoti vidimo med popolnim Sončevim mrkom - in vsak mrk da drugačno podobo (kot družina korona virusov - a pri teh trenutno ni ravno videti neke lepote). Ime korona virus izvira iz latinske besede corona, kar pomeni "krona" ali "halo", ki se nanaša na značilen videz, ki spominja na krono ali tudi Sončevo korono, ki se nahaja okoli virionov (virusov tipa corona). Značilnosti virusa korona (okrog 100 nm premera) so torej beljakovinske površinske (kapsidne) konice, kot na kroni, ki se vežejo na celico drugega organizma in potem ...

To so bile moje želje iz aprila 2020, ki se žal niso uresničile.
V kolikor se epidemija covid-19 ne ponovi, pa bo velika konjunkcija 21. dec. 2020 prav prelep zaključek tega leta polnega preizkušenj, katerega prva polovica je vrgla ta naš trden in samoumeven svet udobja dobesedno s tečajev ...
Žal se torej želje iz aprila niso uresničile - a še zmeraj nam ostane opazovanje velike konjunkcija kot izziv v družinskem krogu - kar pa je v resnici vredno veliko več kot ... Držite se torej priporočil NIJZ, opazujte sami ali v krogu svoje družine. Mi pa bomo naše razglabljanje o življenju na planetih nadaljevali januarja prihodnje leto. Srečno in ostanite zdravi!

Recimo, da bo glede epidemije covid-19 kaj boljše čez dobrega pol leta ..., zagotovo pa bo bolje (vsaj glede covid-19) ob novi konjunkciji Jupitra in Saturna čez 20 let.

Zorko Vičar
Korona pomlad 2020

DODATEK
- teleskop s Soncem kot gravitacijsko lečo - ponuja teoretično možnost neposrednega snemanja površine eksoplanetov

Gravitacijsko lečenje je zgolj posplošitev odklona žarka ob zvezdi na poljubne izrazite gravitacijske vire (masivne objekte), večinoma na galaksije …


Slika prikazuje "teleskop s Soncem kot gravitacijsko lečo". Roji majhnih vesoljskih plovil, ki jih poganjajo sončna jadra, bi poleteli do mesta - fokusa, kjer gravitacija našega Sonca popači in poveča svetlobo bližnjega zvezdnega sistema, kar bi nam omogočalo, da zajamemo ostro sliko eksoplaneta, podobnega Zemlji. Koncept je znan kot "the Solar Gravity Lens telescope".
Vir: https://www.planetary.org/space-images/solar-gravity-lens-telescope

Obstajajo tudi ideje, da bi Sonce uporabili kot najbližjo dokaj zmogljivo gravitacijsko lečo. Problem je, ker je ukrivitev žarka tik ob Soncu le okrog φ = 1.75 ločnih sekund (1.75 °/3600). Izračunajmo gorišče take gravitacijske leče, glejte skico - žal je gorišče Sonca zelo daleč (polmer Sonca je okrog četrtine stopinje krat razdalje Zemlja-Sonce; razdalja Zemlja-Sonce je astronomska enota, krajše AE = 150 milijonov km):

f_Son = R_Son/φ = = 0.26 ° AE/φ= = 0.26 AE *3600/1.7 = 550 AE.

Ločljivost bi s tem povečali teoretično na 10^-10" ( za ločljivost velja približek: φ ≈ 140/D_{v_mm} [''], oziroma pravilneje je kot ločljivosti enak: φ = 1,22*λ/D, v tem primeru je D premer Sonca, sami izračunajte ...), kar pomeni, da bi lahko na bližnjih eksoplanetih zaznali morebitne celine, oceane ... Koliko ločnih sekund pa meri recimo eksoplanet na razdalji 10 sv. let, recimo, da je velikosti Zemlje? Premer Sonca je 109 premerov Zemlje. Na razdalji AE je Zemlja velika okrog 30*60"/109 = 17 ". Eno sv. leto je približno 6,324 10⁴ AE. Če delimo 17 " z 10 sv. leti, dobimo vrednost &phi:_ekso = 17"/(10*6.324 10⁴ ) = 2,7 10^-5 ". Kar je teoretično 100 000 krat več od ločljivosti solarnega teleskopa - kar daje upanje in smisel gravitacijskemu solarnemu teleskopu.
A problem takega gravitacijskega teleskopa na Sonce je zelo oddaljeno gorišče, kar 550 astronomskih enot (razdalj Zemlja - Sonce). Eden od Voyagerjev (izstreljen 1977) je oddaljen trenutno 160 AE, kar je še zelo daleč do 550 AE. Torej je problem današnja precej neučinkovita pogonska tehnika. Danes upamo, da bomo čez nekaj let lahko dosegli hitrosti okrog 120 km/s (22 AE/leto) - kar bi potovanje detektorjev svetlobe v gorišče Sonca skrajšalo na okrog 20 let.


Primer rekonstrukcije Zemlje z uporabo svetlobnega obroča okoli Sonca, ki ga projicira sončna gravitacijska leča. Algoritem, ki omogoča to rekonstrukcijo, je mogoče uporabiti za eksoplanete za vrhunsko slikanje.
Vir: https://www.space.com/sun-gravity-could-help-observe-exoplanets-in-detail



Princip snemanja eksoplaneta preko Sonca (ukrivitev svetlobe) - senzorji, ki lovijo svetlobne obroče (uklone), slikaj iz različnih pozicij in tako sestavijo sliko eksoplaneta - konvolucija. Lahko počakamo, da se tudi eksoplanet, matična zvezda premakne. Uporabili bi senčnike za zastiranje Sonca in tudi oddaljene zvezde ...
https://www.google.com/search?q=the+Solar+Gravity+Lens+telescope&btnG=najdi#fpstate=ive&vld=cid:82b00b1c,vid:NQFqDKRAROI

"Solar gravity lens" (SGL) omogoča ojačanje svetlosti do faktorja ≈ 10¹¹ (pri 1 µm). Leta 2020 je Nasin fizik Slava Turyshev predstavil svojo zamisel o neposrednem slikanju z več slikovnimi senzorji in spektroskopiji eksoplaneta z misijo v gorišče Sončeve gravitacijske leče. Tak gravitacijski objektiv bi lahko rekonstruiral sliko eksoplaneta s površinsko ločljivostjo ≈ 25 km v 6 mesecih integracijskega časa, kar je dovolj, da se vidijo površinske značilnosti in znaki naseljenosti - ali celo civilizacije. Njegov predlog je bil izbran za fazo III NIAC 2020 (NASA Inštitut za napredne koncepte). Turyshev predlaga uporabo sončnih jader realne velikosti (≈ 16 lopatic 10³ m²), da bi dosegli potrebno visoko hitrost v periheliju (≈ 150 km/s), ki bi v 17 letih dosegla 547 AE.
https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_gravitational_lens


Princip uporabe lahkega solarnega jadra v bližini Sonca - kjer sta fotonska gostota in s tem tudi tlak (Sončev veter) na jadro največja.