A cikksorozat korábbi részeiben kiválasztottuk a rendszer központi csillagát, meghatároztuk a többi égitest keringési pályáját, majd elhelyeztünk rajtuk bolygókat. Már majdnem elkészült a bolygórendszer összes égitestje, de egy fontos keringési pályát kihagytunk a sorból. Következzék hát Pentíria, amelynek példáján a lakható bolygókkal fogunk foglalkozni!

4. A bolygók fizikai jellemzői, holdak és egyéb égi kiegészítők – lakható bolygók

A kérdés megválaszolásához előbb tisztázni kell, miféle létformának szeretnénk otthont építeni? Ismertek olyan egyszerű élőlények, amelyek extrém körülmények között is vígan megélnek, mint a fagyos sarki jégben élő vagy az óceán fenekén hidrotermális kürtőkből kitörő forró gázokon kemoszintetizáló baktériumok. Ezen létformákat civilizációt alkotó fejlettségre emelni azonban már erősen hard sci-fi téma, mi pedig most fantasy világépítéssel foglalkozunk, úgyhogy maradjunk az emberihez hasonló szervezetek igényeinél, amelyek a következők:

  • Megfelelő központi csillag: a cikksorozat első részében már szó volt arról, hogy kerülendők a túl rövid ideig élő és túl nagy UV sugárzást kibocsátó O, B és A osztályú, és a túl hektikusan viselkedő M osztályú csillagok.
  • Megfelelő távolság a központi csillagtól: ez a gyakran emlegetett lakható zóna, úgyhogy ezt nem tárgyalnám részletesebben.
  • Minél kisebb excentricitás, azaz körhöz közeli keringési pálya: egy elnyúlt pályán túl nagy lenne a csillag közeli és -távoli állapotok közötti besugárzási különbség, és nem alakulna ki stabil klíma.
  • Tengelyferdeség megfelelő mértéke és stabilitása: minél jobban közelíti a 90°-ot, annál drasztikusabbak az évszakok közötti különbségek (érdemes 45° alatt maradni), stabilitása pedig a geológiai időben is állandó klíma kialakulásában játszik szerepet – emiatt fontos, hogy a bolygónak legyen egy nagy tömegű holdja.
  • Folyékony víz: minél több van belőle, annál jobb, de azért legyenek kiterjedt szárazföldek is, amelyek eróziójával folyamatos az óceánokba történő tápanyagbehordás. Másrészt a vízfelület és a szárazföld aránya a felszíni hőmérsékletbe is erősen beleszól, mivel a víz sokkal hatékonyabban nyeli el a napsugárzást, mint a szárazulatok – vagyis sokkal kisebb az albedója.
  • Aktív lemeztektonika: a hőháztartás egyensúlyát jelentő szén-dioxid körforgást elősegítve szintén a stabil klíma fenntartásában fontos, a vulkánosság pedig a légkör kialakulásában is szerepet játszik. Minél öregebb egy bolygó, annál inkább lehűl, elveszítve a lemeztektonika motorját adó, radioaktív bomlásból származó belső hőt.
  • Magnetoszféra: védi a légkört a napszéltől, az élővilágot pedig a kozmikus sugárzástól… meg hasznos, ha a történeteink szereplői tájékozódhatnak iránytűvel.
  • Megfelelő összetételű és vastagságú légkör: ha túl vastag, akkor túl nagy lesz az atmoszferikus nyomás, ami nem igazán kedvez az élőlényeknek, mint ahogy a túl vékony légkör sem. Összetétel tekintetében izgalmas lehet egzotikus gázokkal kísérletezni, amelyek megfestik az eget, de emberszerű civilizációról szóló történetekben érdemes az oxigént, nitrogént és nem túl sok szén-dioxidot tartalmazó légkörnél maradni. Egyébként az atmoszferikus nyomás – a központi csillag típusának függvényében – az ég színét és a növények leggyakrabban előforduló árnyalatát is befolyásolja!
  • Megfelelő felszíni hőmérséklet: nem elég, hogy a bolygó megfelelő távolságra essen a csillagtól, hogy élhető klíma alakuljon ki: a bolygó más tulajdonságai is nagyban befolyásolják a felszíni hőmérsékletet.

Mindezek után végre nézzük a P. csillag körül található 4. keringési pályát!

Pentíria
Távolság a csillagtól:1,32 CsE
Bolygó típusa:Föld-szerű
Tömeg:0,9 M_\oplus
Sugár:0,97 R_\oplus
Tengelyferdeség:20°
Légkör:1 atm
Égi kísérők:1

Csillag
Pentíria napja egy kisebb F színképosztályú csillag 1,15 M_\odot tömeggel. Élettartalma több mint 6,5 milliárd év, tehát bőven van idő a bonyolult életformák evolúciójához. Nagyjából 500 K-nel magasabb a felszíni hőmérséklete, mint a Napnak, ezért a spektruma kissé a kék tartomány felé esik, színe inkább fehér, mint sárgás – ennek hatását majd lentebb kifejtem.

Távolság
A cikksorozat második részében láthattuk, hogy Pentíria a csillag lakható zónájának belső részére esik, így a várható felszíni hőmérséklet – a légkör összetételétől függően! – épp megfelelő a folyékony víz jelenlétéhez.

Excentricitás
Pentíria közel kör alakú pályán kering: a csillag közeli és a csillag távoli helyzetben szinte azonos az átlagos hőmérséklet a bolygó felszínét.

Tengelyferdeség
A 20°-os tengelyferdeségből adódóan a bolygó forgásának iránya az általunk megszokott, a nap keleten kel és nyugaton nyugszik. Mivel némileg kisebb a tengelyferdesége, mint a Földé, az évszakok közötti különbség valamivel enyhébb, és az éghajlati övek is egy kicsit másként helyezkednek el: a trópusi égöv csak az északi és déli szélesség 20°-ig terjed, míg a sarkkörök 70° magasságban helyezkednek el, vagyis a trópusi égöv és a sarkvidékek szűkebb sávra korlátozódnak.
Pentíria tengelydőlése geológiai időben alig ingadozik, köszönhetően a bolygó nagy méretű holdjának, amelyről a következő cikkben lehet bővebben olvasni.

Víz
Pentíria felszínének körülbelül 70 %-át folyékony víz borítja, és a sarkokon kiterjedt jégsapkák találhatók, amelyek alatt részben vagy egészben szárazulatok húzódnak.

Lemeztektonika
A Föld-szerű Pentíria összetételében és méretében is hasonlít a Földhöz. Az aktív lemeztektonika által – földtörténeti időben véve – felszíne folyamatosan változik: új óceánok nyílnak, míg mások bezáródnak, és kontinensek olvadnak össze, felgyűrve hatalmas hegyláncokat. Jelenleg öt kontinens alkotja a szárazföldeket (bár ez a szám a közelmúltban még nagyobb volt… „megfelelő” kezekben a mágia bolygóformáló erőként is működhet).

Magnetoszféra
Pentíria szilárd belső magját folyékony, vasötvözeteket tartalmazó külső mag veszi körül, melynek áramlása – a dimanóelvnek köszönhetően – mágneses mezőt gerjeszt. Leglátványosabb „mellékhatása” a sarki fény, melynek színe a légkör összetételétől függ, esetünkben a zöld, kék és vörös színek dominálnak.

Légkör
A légkör összetétele, a földihez hasonló élővilág kialakulásának megfelelően, szintén hasonló a Földéhez, vagyis körülbelül 4/5 rész nitrogénből, 1/5 rész oxigénből és kevesebb mint 0,05 % -nyi üvegházhatást előidéző szén-dioxidból áll.
A felszíni légnyomás megfelel a Földön tapasztalhatóhoz – azaz p= 1 atm –, amihez valamivel vastagabb légkörre van szükség, tekintve, hogy a Pentíria tömege némileg kisebb, mint a Földé, ezért a gravitációja is kisebb (ami előnyös, mert így könnyebb repülni).
A légnyomás mértékének és a csillag színképosztályának megfelelő nappali és a naplemente idején látható égbolt valami ilyesmi:

Luke Campbell (alias Panoptes V) szimulációi alapján, interpolációval becsülve

A nappali égbolt némileg mélyebb kék, mint a Földön megszokott; naplemente idején is kissé kékebb árnyalatú a zenit közelében, a horizont felé haladva viszont hasonlóan narancs színbe megy át.

A bolygón élő, fotoszintetizáló létformák színe szintén függ a központi csillag által kibocsátott fény spektrumától és a légkör sűrűségétől, amelyen a fény keresztülhatol a fotoszintetizáló pigmentig. A földi növények többnyire hasonló stratégia szerint hasznosítják a Nap sugarait, ezért zöld a legjellegzetesebb színük – vagyis pont hogy kontraproduktívak, mivel a Nap a zöld színnek megfelelő hullámhosszon bocsátja ki a legnagyobb energiát, a növények pedig ezt verik vissza a leginkább. Feltételezve, hogy más bolygók élőlényei is hasonló stratégiával hasznosítják a napfény energiáját, a pentíriai növények kékes zöld árnyalatokban pompáznak, mivel a csillag fénye enyhén a kék felé tolódik el:

Luke Campbell (alias Panoptes V) szimulációi nyomán

A fenti stratégia mellett megjelenhet annak ellentettje is, vagyis hogy a növények a csillag által legnagyobb energiával kibocsátott hullámhosszú sugarakat nyelik el, és a komplementerszínt visszaverik. A fenti látkép eszerint módosítva:

Megjegyzendő, hogy ezzel a stratégiával károsodhat az élőlény a túl nagy energiájú besugárzástól, ezért ez a módszer csak erős sugárzástól védett élőhelyen lehet előnyös, mint például vízfelszín alatt vagy sarkokhoz közel.

Felszíni hőmérséklet
Egy bolygó átlagos felszíni hőmérséklete függ a csillag T hőmérsékletétől, annak r sugarától, a bolygó A albedójától (a bolygóra érkező fény visszaverődő aránya), csillagtól való a távolságától, forgásának gyorsaságától és persze az üvegházhatás mértékétől:

    \[T_{bolygó} = T \left[\frac{\left( 1 - A \right) r^2}{4 \beta \left( 1 - g \right) a^2} \right]^{1/4},\]

ahol
\beta a bolygó felszínének megvilágított hányadát reprezentálja. Értéke 1, ha gyorsan forgó bolygóról van szó; 0,5, ha a bolygónak nincs légköre és szinkronban kering, tehát a csillag kizárólag az egyik oldalát melegíti; értéke valahol a kettő között helyezkedik el, ha a bolygó forgási ideje közelíti a keringési idejét.
g a normalizált üvegházhatást kifejező érték: 0 ha nincs légkör, ezáltal üvegházhatás sincs; közelíti (de nem éri el!) az 1 értéket, ha elszabadult üvegházhatásról van szó.

A fentiek szerint Pentíria átlagos felszíni hőmérséklete:

    \[T_{Pentiria} = 6278\textup{ K} \left[ \frac{\left( 1 - 0,3 \right) 1,12 R_\odot^2}{4 \cdot 1 \left( 1 - 0,39 \right) (1,32\textup{ CsE})^2} \right]^{1/4} \sim 288,5\textup{ K} \sim 15,5\textup{ °C,}\]

ami nagyjából megfelel a Föld átlagos hőmérsékletének.

Készíts te is lakható bolygót!

A fenti képlet használata elég bonyolult a kevésbé kikutatható változók megfelelő értéke miatt, ezért most is mellékelek egy kalkulátort.




elnyelő erdő Föld sivatag hó visszaverő




nincs Föld Vénusz pokol

A bolyó felszínének átlagos hőmérséklete:

? °C

A bolyóról látható égbolt színe nappal és naplemente idején:

A bolyó növényvilágának jellemző árnyalatai:

Források:

https://www.skyatnightmagazine.com/space-science/what-makes-a-planet-habitable
Kaltenegger, L., Sasselov, D., 2011: Exploring the Habitable Zone for Kepler planetary candidates. The Astrophysical Journal Letters, 736, L25
Méndez, A., Rivera-Valentín, E. G., 2017: The Equilibrium Temperature of Planets in Elliptical Orbits. The Astrophysical Journal Letters, 837, L1
http://www.solstation.com/life/a-plants.htm
http://panoptesv.com/SciFi/ColorsOfAlienWorlds/AlienFields.php
http://panoptesv.com/SciFi/ColorsOfAlienWorlds/AlienSkies.php
https://exocosm.org/2021/02/simple-greenhouse-model/?doing_wp_cron=1696765258.2502319812774658203125