نطاق صالح للحياة

يعتمد النطاق الصالح للحياة حول نجم على درجة حرارة وضياء النجم الذي يدور الكوكب حوله، حيث تكون الطاقة الواصلة للكوكب كافية لأن يكون الماء في الحالة السائلة.

وفي نظرةٍ مبسطة يمكن افتراض أنه يمكن حساب هذا النطاق على أساس ضياء النجم. فينطبق على متوسط هذا النطاق حول نجم معين المعادلة التالية:

${\displaystyle d[{\mathrm {A} E}]={\sqrt {L_{\mathrm {s} tar}/L_{\mathrm {s} un}}}}$

حيث:

${\displaystyle d}$ متوسط نصف القطر للنطاق الصالح للحياة وحدة فلكية،

${\displaystyle L_{\mathrm {s} tar}\,}$ الضياء البولومتري للنجم،

${\displaystyle L_{\mathrm {s} un}\,}$ الضياء البولومتري للشمس (ضياء شمسي).

المسافة AE تعادل وحدة فلكية = نحو 150 مليون كيلومتر (بعد الأرض عن الشمس).

فإذا كان ضياء النجم 25% من ضياء الشمس فسيكون النطاق الصالح للحياة لكوكب يدور حوله على بعد 5و0 وحدة فلكية، وإذا كان ضياء النجم ضعف ضياء شمسي فسيصبح النطاق الصالح للحياة على بعد 4و1 وحدة فلكية.

تلك هي نتيجة «قانون المسافة» المتعلق بضياء نجم. ومتوسط النطاق الصالح للحياة طبقا للتعريف هنا إنما هو بشرط أن يكون الكوكب له غلاف جوي مشابه لجو الأرض من وجهة التركيب والكثافة وفي حيز درجة حرارة عامة للكوكب مماثلة لدرجة حرارة جو الأرض بصفة عامة. حدود ذلك النطاق تكون محدودة بدرجة حرارة تجمد الماء ودرجة غليان الماء.

علاوةً على ذلك فتلعب تركيبة سطح الكوكب دورا هاما من حيث قدرتها على رد إشعاع النجم إلى الفضاء، كما تراعي الحسابات الحديثة تطور والتركيب الكيميائي للغلاف الجوي على الكوكب والانحباس الحراري فيه.

قام الفيزيائيان فيليب موريس و «جوزيبي كوكوني» ذلك النطاق لأول مرة في عام 1959 في تقرير بحث يسمى SETI (الذي يعتني بالبحث عن حياة خارج الأرض. وفي عام 1961 صاغ «فرانك دراكه» معادلة تسمى باسمه «معادلة دراكه».

ونظرا لتغير النجم وكذلك الكوكب مع الزمن فتتغير بذلك أيضا النطاق الصالح للحياة. فضياء النجم تقل مع الوقت بحسب تطوره. فلكي تنشأ حياة وتكون على الكوكب مشابهة للحياة على الأرض فقط فلا يكفي فقط بعده عن النجم، بل لا بد أيضا من أجتيازه فترة زمنية طويلة مماثلة لما حدث ويحدث على الأرض. أن يكون مدار الكوكب حول النجم دائما داخل الناق الصالح للحياة، وحتى لو قصرت المسافة بينهما مع الزمن فلا بد أن يستغرق ذلك طويلاً. وفي العادة يحتسب العلماء ما بين 4 و 6 مليارات سنة لتلك الفترة.

تتطورت مناقشة العلماء بعد ذلك إلى مراعاة حسابات عن المناخ على الكوكب، وعلى الأخص الانحباس الحراري بسبب وجود ثاني أكسيد الكربون والماء.

فالانحباس الحراري على كوكب ليست عليه حياة ويكون في نطاق صالح للحياة تنظمه دورة كربونات و سيليكات:

1. فنزول مطر محمل ب ثاني أكسيد الكربون في صورة حمض الكربونيك على السطح الصخري للكوكب حيث يذيب حمض الكربونيك السيليكات ويرتبط ثاني أكسيد الكربون في مركبات كالسيوم وسيليكات،
2. وتنتقل الصخور المحتوية على الكربون عن طريق العمليات التكتونية على سطح الكوكب وتنصهر إلى ماغما،
3. ثم يتسبب النشاط البركاني في تحرير ثاني أكسيد الكربون ثانيا إلى جو الكوكب.

تنظم تلك الدورة نفسها بنفسها حيث أنه عند انخفاض درجة الحرارة تنخفض أيضا كمية المطر، ويقل ثاني أكسيد الكربون في الجو عندما يقل النشاط البركاني. وعندما يزيد النشاط البركاني يزداد ثاني أكسيد الكربون في الجو، فيرتفع الانحباس الحراري وترتفع درجة حرارة الجو ثانيا. وعندما ترتفع درجة الحرارة فإنها تنظم الدورة من خلال زيادة في كمية المطر، فيقل ثاني أكسيد الكربون في الهواء وينخفض الانحباس الحراري. وتبلغ دورة الكربونات والسيليكات على الأرض عدة مئات آلاف من السنين.

يعرّف الحد الأدنى للنطاق الصالح للحياة على أساس شدة الانحباس الحراري فقد ترتفع درجة الحرارة على الكوكب بحيث يتطاير الماء وينتشر في الفضاء البين كوكبي، وتنتهي بذلك دورة الكربونات والسيليكات نهائيًا. بالنسبة لذلك الحد الأدنى للنطاق الصالح للحياة على الأرض فهو يبلغ نحو 95و0 وحدة فلكية. وعندما يكون الكوكب عند الحد الخارجي للنطاق الصالح للحياة فلا يمكن لسحب من ثاني أكسيد الكربون المتكثف أن تزيد من درجة حرارة الكوكب عن طريق الانحباس الحراري بالدرجة الكافية. بالنسبة لذلك الحد في المجموعة الشمسية فهو يقع عند نحو 4و1 وحدة فلكية.

في المجموعة الشمسية توجد الأرض وحدها فقط داخل هذا النطاق حول الشمس. الزهراء وعطارد يعتبران قريبين من الشمس وتكون الحرارة عالبية عند هذا الحد. ويقع المريخ داخل تلك المنطقة أو خارجها قليلا وذلك بحسب نموذج الحساب المأخوذ في الاعتبار. وقد يكون قد مر على المريخ زمن كان الانحباس الحراري عليه مناسبا. ولكن المريخ كوكب صغير لا يسمح لنشاط تكتوني لمدة مليارات من السنين. بذلك يعتبر المريخ قد فقد عنصرا من عناصر التوازن المناخي بعد تصلب السطح الصخري عليه، وافتقد نشاطه البركاني، وبالتالي افتقد دورة الكربونات والسيليكات، فلم يحدث عليه توازن في المناخ لمدة طويلة.[1]

يمكن لكوكب بحجم كتلة الأرض أن يكون صالحا للحياة إذا كان على بعد المريخ، هذا يختلف بحسب النموذج الحسابي المأخوذ في الاعتبار. أما إذا كان الكوكب على بعد مثل بعد المشتري عن الشمس فإن ما يصله من طاقة من الشمس لا يكون كافيا ليصهر الثلج بحيث يكون ماء سائلا صالحا للحياة.