Föreläsning 17/5 Livets fysikaliska förutsättningar och livets effekt p

Föreläsning 17/5
Livets fysikaliska förutsättningar och livets effekt på sin omgivning
Ulf Torkelsson
1
Livszoner
En planets yttemperatur bestäms av balansen mellan det solljus som absorberas av planetytan och
den strålning som ytan strålar ut. På ett avstånd d från en stjärna så är fluxen (strålningseffekt
per areaenhet)
L
,
(1)
F =
4πd2
där L är stjärnans luminositet. En planet med radien R tar då emot en mängd strålning
L
R2 L
πR2
=
.
4πd2
4d2
(2)
En bråkdel A, albedot, av den här strålningen reflekteras av planeten, medan resten av strålningen,
en bråkdel 1 − A, absorberas.
Enligt Stefan-Boltzmanns lag strålar en snabbt roterande planet ut en mängd strålning
4πR2 σT 4 ,
(3)
där T är planetens temperatur. Vid jämvikt är mängden utstrålad energi lika stor som mängden
absorberad strålning. Alltså har vi
R2 L
,
4d2
4πR2 σT 4 = (1 − A)
(4)
där vi kan lösa ut temperaturen
T = (1 − A)
L
16πd2 σ
1/4
1/4
= 279 K (1 − A)
L
L
1/4 d
1 AU
−1/2
.
(5)
Vi kan nu beräkna temperaturen på Jorden. Jorden har ett albedo på 0.36, vilket ger oss en
temperatur på 250 K. Detta är lägre än Jordens medeltemperatur på 288 K (15 C). Det beror
på att vi har försummat växthuseffekten som värmer upp Jorden. Vi ser alltså att växthuseffekten
höjer Jordens medeltemperatur med 15%.
Vi kan också lösa ut avståndet d ur denna ekvation och få
2 1/2
279 K
L
1/2
d = 1 AU (1 − A)
.
(6)
T
L
Vi kan nu beräkna det intervall från solen i vilket det kan förekomma flytande vatten. Vatten är
flytande mellan 273 och 373 K, men vi har sett att växthuseffekten höjer temperaturen med 15%,
så vi beräknar var en jordliknande planet med ett albedo på 0.36 kan ha en temperatur mellan
240 och 320 K. Temperaturen utan växthuseffekten blir 320 K vid 0.60 AU, och den blir 240 K
vid 1.2 AU. Inom detta intervall från Solen ligger både Jorden och Venus, men växthuseffekten
på Venus är så stark att yttemperaturen på Venus är närmare 500 C. Mars ligger utanför den
här zonen och har också en medeltemperatur som är under fryspunkten. Dock kompenseras Mars
större avstånd i viss mån av att den har ett lägre albedo på 0.16. Å andra sidan har Venus ett
mycket högt albedo på 0.75, men det hjälper ändå inte.
1
2
Livets påverkan på Jorden
Livet på Jorden har på många sätt påverkat Jordens utveckling, i synnerhet dess atmosfär. Detta
är mest märkbart i form av syrgasen i atmosfären. Syrgasen frigörs under fotosyntesen, och utan
fotosyntesen som ständigt producerar ny syrgas skulle den snabbt bindas upp i olika oxider. Vi
räknar därför med att fritt syre är en god indikator på att det finns liv på en planet. En bieffekt av
att livet började släppa ut syre i atmosfären var att det bildades ett ozonlager som skyddar livet
från solens ultravioletta ljus. Detta ozonlager gjorde det möjligt för livet att ta sig upp ur haven.
Livet bidrar också till omsättningen av koldioxid på Jorden. Under fotosyntesen tar växter
upp koldioxid och binder upp den i kolhydrater. En del av växterna blir sedan uppätna av djur,
som använder kolhydraterna som bränsle. Då frigörs koldioxid till atmosfären igen. En del av
kolet förblir dock uppbundet i levande varelser som träd under en längre tid. När växterna dör
kan en del av dem begravas i marken, där det då lagras upp koldioxid. Kol binds också upp av
fotosyntetiska växter i vattnet, till exempel alger, men detta kol lagras inte så länge utan kolet
återanvänds snart som bränsle, så att koldioxiden frigörs igen.
Livet frigör också andra gaser som metan, vilket till exempel frigörs av tarmbakterier i nötboskap
och också från risfält. Metan är inte stabilt i Jordens atmosfär, utan bryts ned i närvaron av syre.
Ändå hålls metankoncentrationen i stort sett konstant i atmosfären genom dessa biologiska processer.
James Lovelock har föreslagit att liv har en tendens att hålla förhållandena på Jorden i balans
på ett sådant sätt att de är gynnsamma för liv, Gaia-hypotesen. Till exempel har solens luminositet
ökat med ungefär 30% under de 4.5 miljarder åren, som Solen har funnits, men temperaturen
på Jorden har varit så konstant att det hela tiden har funnits flytande vatten på Jorden, trots att
man naivt skulle ha förväntat sig att temperaturen borde ha varit 25 C lägre i början. Detta är
möjligt genom att koldioxidhalten i början var extremt hög, men livet har minskat koldioxidhalten
i Jordens atmosfär och har istället ökat syrehalten, vilket har gynnat livet på Jorden.
På liknande sätt har salthalten i haven hållits konstant vid 3.4% under lång tid, trots att haven
ständigt tillförs nytt salt med flodvattnet som rinner ut i haven. Det är viktigt för livet i havet att
salthalten inte stiger till 5%, för i så fall skulle få organismer kunna leva i haven.
I en extrem tolkning av Gaia-hypotesen kan man se hela Jorden som en enda organism Gaia,
där biologiska processer kompenserar för geologiska processer, och fysikaliska förändringar av atmosfären så att Jorden förblir lämplig för liv på Jorden.
3
Solsystemets framtid
Under sin utveckling blir solen gradvis allt ljusstarkare. Det borde innebära att planeternas yttemperatur gradvis stiger, och att solens livszon gradvis drar sig utåt. Om en till två miljarder år
kommer temperaturen på Jorden att ha stigit så mycket att vattnet på Jorden har förångats. Solen
kommer dock att fortsätta att växa i storlek, och om en fem miljarder år så har den utvecklats till
en röd jätte som är så utbredd att den kommer att sluka de innersta planeterna. Solen kommer
sedan att fortsätta att utvecklas via en horisontalgrensstjärna och en asymptotisk jättestjärna tills
den till slut dör. I det sista steget så kommer solens ytlager att kastas ut från solen och bygga
upp en långsamt expanderande planetarisk nebulosa medan resten av solen sjunker samman till en
liten vit dvärg som är nästan lika tung som solen idag, men den massan är sammantryckt till en
storlek jämförbar med jorden.
2

Föreläsning 17/5 Livets fysikaliska förutsättningar och livets effekt p

Related documents

Products

Support

Föreläsning 17/5 Livets fysikaliska förutsättningar och livets effekt p

Related documents

Add this document to collection(s)

Add this document to saved

Suggest us how to improve StudyLib