Планеты

Типы экзопланет

Планеты. Какие? Нет, не однообразные, не с трактиром, базаром и церковью и не очень кстати оказавшиеся под боком. Потому что здесь Справочник Автора, а не Вукипедия. Это научно-популярная статья о планетах, как их понимает современная наука и как их должен понимать фантаст, претендующий на звание научного.

Генезис

Прежде всего, где их искать?

Планеты могут образоваться не у всех звёзд. Совершенно точно не у голубых: они бесплодны, если вы понимаете, о чём я. А если без шуток юмора, то голубые звёзды живут слишком мало, чтобы у них успели образоваться твёрдые планеты. Да и нагревают они будь здоров.

• Сугубо теоретически голубая звезда может захватить планету из другой звездной системы во время прохождения рядом, либо блуждающую планету, выброшенную из своей звездной системы каким-то катаклизмом. Однако вероятность подобного события по сути подобна вероятности двойного безнейтринного бета-распада, то есть, ничтожнейше мала. Сравните сами — срок жизни голубой звезды 10-50 миллионов лет (к примеру, Земле уже 4 миллиарда лет). Вероятность прохождения двух звезд рядом друг с другом сходяще-расходящимися курсами невелика сама по себе. При этом необходимо, чтобы у приближающейся звезды была своя звездная система. Также необходимо, чтобы голубая звезда у соседки оторвала планету. Также необходимо (2), чтобы звезды не столкнулись, испаряя всю систему. Также необходимо (3), чтобы захватываемая планета не подошла слишком близко к голубой, иначе может сама с ней столкнуться. А также еще масса разнообразных условий. И вишенка на тортике — из-за особенностей излучения голубой звезды (помимо запредельной силы и скорости звездного ветра, есть еще такая милая деталь, что голубой сверхгигант спокойно становится красным, а потом обратно голубым, меняя скорость и плотность излучения — чтобы уж точно простерилизовать окрестности и не дать какой-то жизни приспособиться к и без того не ласковым условиям). Ах да, сами голубые звезды при этом не слишком часто встречающийся вид звезд в Космосе. Поэтому заморачиваться с планетой возле голубой звезды будет либо МТА, который не понимает о чем пишет свою «НФ», либо действительно жестко увлекающийся астрономией автор, которому интересно прописать детали крайне маловероятного космического процесса. Второе автору правки пока не попадалось.
  • «Наше все в фантастике» Братья Стругацкие, рассказ «Десантники» — группа ученых ищет доказательства разумной жизни на планете в системе Голубой звезды! Возможно это намеренный ляп (все же один из братьев по профессии астроном). Поиск там, где быть не может, искать вопреки всему и т. д. Или просто решили немного «по хулиганить». После этого рассказа, автор правки стал легче относится к фантастическим допущениям (уж если АБС такое позволяют, чего другим нельзя), тем более на сюжет такая деталь не повлияла

Если вам нужна не абы какая планета, а с развитой или даже разумной жизнью, то выкиньте из списка белые и красные звёзды. Они слишком заняты пальбой друг по другу из маузеров. Ладно, хватить каламбурить: белые звёзды живут достаточно, чтобы обзавестись планетами, но не настолько долго, чтобы на этих планетах завелась жизнь, либо это совсем выморочные белые карлики. А красные — либо очень тусклые, но невероятно долгоживущие и многочисленные красные карлики (жизнь там возможна, хоть и менее вероятна, чем в системе солнцеподобной звезды), либо сильно проэволюционировавшие красные гиганты, которые свои старые жизнеспособные планеты съели, а на свежеразогретых, бывших ледяных, ничего зародиться не успеет: век красного гиганта тоже недолог.

Короче: землеподобные планеты живут только вокруг звёзд классов от M5V (ниже начинаются ультрахолодные карлики, имеющие неприятное свойство вываривать свои «потенциально обитаемые» планеты ещё на стадии Хаяши, длящейся шибко долго; Проксима и знаменитая TRAPPIST-1, увы, попадают именно сюда) до F6V (у более ярких звёзд жизнь к организменной форме дойти просто не успеет), то есть от оранжевых до жёлто-белых главной последовательности, задевая наиболее яркие красные). Но и это ещё не всё. Если протозвезда наворачивает обороты слишком вяло, когда рождается, у неё не сформируется большого протопланетного диска. А если она старая и низкометалличная, то в этом диске будет прежде всего водород, и планеты, соответственно, будут только газовыми карликами (чаще всего горячими).

Впрочем, планеты могут быть и блуждающими — выброшенными из своей системы и свободно странствующими по космосу. Такие рано или поздно могут быть захвачены гравитационным полем чужой звезды, в том числе и такой, которой «в норме» планет не полагается. При этом, поскольку планета уже прошла все предварительные этапы формирования, для развития жизни на новом месте ей потребуется меньше времени, чем планете, формирующейся с нуля, точнее микробы успешно переживут это странствие и долгое замораживание. Впрочем, орбита захваченной планеты будет, скорее всего, сильно вытянутой и для жизни не пригодной. Хотя достаточно высокоразвитая цивилизация может пережить такое путешествие (которое вполне может длиться миллионы лет с превращением планеты в ледяной шар с замёрзшей атмосферой) и даже сделать его преднамеренным и управляемым.

Теперь, откуда они берутся?

Как уже отмечалось выше и в статье «Звёзды», когда звезда рождается, у неё может сформироваться протопланетный диск. Это значит, что когда облако газа и пыли только начинает сжиматься, оно приобретает форму не шара, а юлы. Потом центральное утолщение обособляется в звезду, а по краям юлы из газа и пыли начинают формироваться планеты.

Для начала — немного терминологии: газы, льды и металлы. Газы — это водород (H) и гелий (He). Металлы — все более тяжёлые элементы, в том числе и неметаллы: в астрономии и кислород металл. Льды — летучие соединения металлов с водородом, например, вода, аммиак и метан, или друг с другом, например угарный и углекислый газ. Газы и льды вместе называются летучими веществами. Элементы тяжелее железа (Fe) на планете находятся в микроскопических количествах, потому что образуются ТОЛЬКО в результате взрыва сверхновой, остальные синтезируются в ядрах звёзд из водорода и гелия. Отсюда следует интересный вывод: теоретически жизнь (по крайней мере, похожая на земную) имеет больше шансов зародиться в немолодых рассеянных звёздных скоплениях рядом с бывшими короткоживущими голубыми и белыми звёздами, отпахавшими своё. Жизни тяжёлые элементы не то, что бы необходимы, а крайне полезны. В сильно густых и молодых скоплениях звёзд жизнь, скорее всего, не приживётся из-за облучения звёзд-соседей, поэтому возникновение её в том же самом ядре галактики под вопросом.

Сначала нарождающаяся планетная система имеет форму роя планетезималей — небольших комков, похожих на астероиды, хаотически вращающихся по неустойчивым орбитам. Они собирают пыль и льды и растут, а иногда сталкиваются, разбиваются и превращаются в пыль и льды. Постепенно они частично разлетаются кто куда, частично слепляются в комья размером от Луны до Марса.

Потом в середине загорается звезда. Сперва её излучение выметает внутреннюю систему от остатков газов, и начинает плавить льды. Во внутренней системе остаются только тугоплавкие соединения, которые превращаются в горные породы и продолжают аккрецию на имеющиеся планетезимали; в результате получаются каменистые планеты. Чем ближе к звезде, тем более тугоплавким должно быть вещество, чтобы там остаться, поэтому близкие (нижние) планеты — плотные и тяжёлые, дальние (верхние) — неплотные и лёгкие.

Во внешней системе тем временем завершается аккреция газовых гигантов. Все газы, ещё остающиеся там, и те, что нагнаны с внутренней системы, собираются вокруг крупнейших планетезималей, способных удержать водород своей гравитацией, и в итоге получаются гиганты, в которых больше водорода, чем, собственно, планетезимали. В некоторых случаях, если орбиты газовых гигантов неустойчивы, их может перебросить во внутреннюю систему в результате гравитационного взаимодействия (раскидав при этом все каменистые планеты) или вообще выбросить долой из системы. В Солнечной системе, к счастью, ни один газовый гигант к Солнцу не попёр, но астрономы-экзопланетологи нашли немало систем, где произошло именно это.

Звезда разгорается ярче и выметает мусор уже и из внешней системы; только на её тёмных окраинах, т. н. поясе Койпера и рассеянном диске, сохраняется первозданный неубранный статус-кво. А на внутренних планетах тем временем начинается первая геологическая эра — катархей, или гадей. Они уже сформировались и достигли нужного размера, но дифференциации у них ещё нет, тектоника, вулканизм и планетарное динамо не запущены. Крупный мусор всё ещё там, и периодически падает на планеты, совершая т. н. позднюю тяжёлую бомбардировку.

Все каменистые планеты на стадии катархея одинаковы. Однородные, безмолвные, с первозданной атмосферой из метана и аммиака, периодически обстреливаемые падающими булыжниками. А вот от того, что произойдёт дальше, и зависит, какая планета получится.

Что есть что у планеты?

• Дифференциация. Это означает — разделение на ядро, один или более слой мантии и, возможно, кору. Дифференциация происходит под действием высокой температуры, накопленной в результате: а) радиоактивного распада тяжёлых элементов, б) поздней тяжёлой бомбардировки, в) приливной деформации, если есть чему планету деформировать.
• Ядро. Внутренний шарик планеты. Бывает железо-никелевое и силикатное (каменное), а железо-никелевое в свою очередь бывает горячее и холодное.
• Планетарное динамо. Источник магнитного поля планеты; у землеподобных планет оно находится в горячем, вращающемся железоникелевом ядре, а у газовых гигантов — в слое металлического водорода в мантии. Магнитное поле — штука важная, оно позволяет отклонять излучаемые звездой заряженные частицы (солнечный ветер), предохранять атмосферу и жизнь.
• Вулканизм. Явление, вызванное горячей, расплавленной мантией, вещество из которой прорывается на поверхность. Играет большую роль в обогащении коры минералами и рудами, поэтому жизненно важен для технической цивилизации. Он же создаёт ценную атмосферу из азота, углекислого газа и водяных паров.
• Тектоника. Разделение коры планеты на плиты, передвигающиеся друг относительно друга и формирующие рельеф. Планета без тектоники плоская, как Ивановская область, на ней нет отдельных океанов и материков. Тектоника облегчает вулканизм; на стыках плит легко формируются вулканы, которые обогащают горные регионы рудами и минералами. Без тектоники могут образовываться только точечные щитовидные вулканы, большие, пологие и редкие.
• Атмосфера. Проходит через две-три стадии: сначала первородная атмосфера из газов и газообразных льдов через вулканизм сменяется атмосферой из азота, углекислого газа и водяных паров. Потом жизнь в протерозое проходит через т. н. кислородную катастрофу и начинает перерабатывать углекислый газ в кислород.
• Стратиграфия (деление на геологические эоны, эры и периоды). Эти периоды отслеживаются по слоям, остающимся в коре от каждого. Все твёрдые планеты проходят через период, аналогичный земному катархею, или гадею. А от того, что происходит с ними в архее (или вместо архея), зависит то, что за планета получится. Если архей проходит без сучка и задоринки, зарождается жизнь и начинается эволюция. Далее на примере Земли: протерозой, палеозой, мезозой, кайнозой, наше время.
  • Для Луны и Марса названия эонов свои, особые, потому что данные тела от Земли отличаются, но на ранних стадиях соответствие более-менее однозначное: катархей примерно соответствует лунному нектарию и марсианскому ною, архей — марсианскому гесперию. Дальше уже непохоже.
  • Ни одна жизнепригодная планета, кроме Земли, науке пока не известна открыто 7 кандидатов разной степени достоверности и разных размеров, упоминания о них ниже выделены жирным шрифтом. Но, думается мне, что когда до них доберутся, учёные замучаются придумывать каждой свои стратиграфические названия, а объединят, где похоже. На марсоподобных планетах будут нои и гесперии, на землеподобных — археи и протерозои, и так далее.
  • Чтобы определить, в каком периоде находится сейчас заданная землеподобная планета (если известно заранее, что она землеподобная), прикиньте по возрасту звезды. До 500—600 млн лет — катархей, то есть там нет ни нормальной атмосферы, ни океанов, ни вулканизма, ни тектоники, ничего. До 2 млрд лет — архей: есть океаны, атмосфера для дыхания не пригодна, жизнь в виде бактериальных простынь на дне океанов. От 2 до 4 млрд лет — протерозой: кислород есть, но его мало, жизнь уже поинтереснее, но только в океанах. Старше 4 млрд лет — фанерозой (палеозой, мезозой, кайнозой). Кислород есть, жизнь разнообразна, есть и на суше и может попытаться попробовать вас на вкус. Впрочем, это рассуждение можно считать более-менее универсальным лишь для ранних стадий, предшествующих появлению жизни. А вот с какой скоростью (и куда) всё пойдет дальше — совершенно не известно. Ниоткуда не следует, например, что переход от одноклеточных к многоклеточным затянется так же надолго, как на Земле — или что он произойдёт вообще (если чужая эволюция не породит митохондрии, скорее всего, не произойдёт). В целом, имея только один известный пример эволюции биосферы, экстраполировать его на всю вселенную, как минимум, самонадеянно.

Итак, какие они бывают?

• Землеподобные планеты. По-английски их фамилия Goldilocks (Златовласка; это аналог Машеньки из сказки про трёх медведей, которой и не слишком холодно, и не слишком горячо, а в самый раз). На них всё происходит правильно. От ударов, вызванных поздней тяжёлой бомбардировкой, и тепла радиоактивного распада они проплавляются, дифференцируются (разделяются ядро и мантия), поверхность остывает, формируются кора, тектонические плиты, запускаются вулканизм и планетарное динамо. Вулканы извергают новую атмосферу, состоящую из азота, углекислого газа и водяного пара. Начинается новый эон — архей. А уж что будет дальше, зависит от того, как повернётся эволюция жизни на этой планете.
  • На данный момент (апрель 2020) в «жилой зоне» известна (но не подтверждена окончательно) одна такая планета за пределами нашей Солнечной системы у звезды-аналога Солнца — Kepler-1505 с (на 19 % больше Земли), для конфирмации другой выловленной из фотометрии «Кеплера» «близняшки» уже без «Спитцера» не обойтись.
  • Совет автору: поинтересуйтесь различными стратиграфическими эрами и периодами от архея до кайнозоя. А то, куда не плюнь, если землеподобная — то обязательно со зрелой биосферой, снятой в Калифорнии.

• Каменные планеты. Слишком маленькие, чтобы иметь продолжительный вулканизм, тектонику и атмосферу. Конец катархея для них закончился дифференциацией, и больше ничего. С тех пор они остались каменными и безжизненными. Они не могут удержать никаких летучих веществ, кроме следов самых тяжёлых. Температуру могут иметь любую, от 1500 К — температуры плавления тугоплавких пород — до 140 К, на которых кончается внутренняя система.
  • Примеры в Солнечной системе: Меркурий и Луна. Вне Солнечной системы: Kepler-37 b, Kepler-42 d, K2-266 f и ряд других.

• Хтонические планеты. Это, строго говоря, вообще не землеподобные планеты по происхождению — это газовые недоросли, которые образовались (либо подлетели) слишком близко к звезде и с них снесло бо́льшую часть атмосферы (в тяжёлых случаях — всю). Получается гигантский Меркурий, хтоническая такая хренобобина. В Солнечной системе их нет, но в других открыты.

• Марсообразные планеты. Продержались немного подольше, чем каменные. По всей видимости, на таких планетах был полноценный архей (гесперий), во время которого они имели атмосферу, по ним текла вода и, возможно, зарождалась микробиальная жизнь. Но всё равно размером не вышли. Планетарное динамо остановилось, атмосфера выветрилась, вода разложилась солнечным ветром, и осталась только пустыня. С другой стороны, эти планеты — не самый худший случай и вполне поддаются терраформированию; мы бы сейчас смогли начать терраформировать Марс, если бы не были поделены на грызущиеся страны.

• Парниковые планеты. Начинают так же, как и землеподобные. Но по какой-то причине у них останавливается процесс связывания углекислого газа (который на Земле происходит через океаны, а из них — в карбонат кальция). Парниковый эффект вызывает закипание океанов и усиливает сам себя. В итоге — девяносто атмосфер углекислого газа и пятьсот градусов жары. Если планетарное динамо ещё действует, то атмосфера этих планет сохраняет воду в виде пара, и их можно терраформировать путем охлаждения и конденсации. Если нет — вода разложена солнечным ветром. Пример последнего в Солнечной системе — Венера. У других звёзд тоже известен целый ряд местных «венер» (Kepler-1185 c, Kepler-438 b, Kepler-395 c и т. д.). Впрочем, парниковый эффект может стать не губительным, а спасительным для жизни, если планета находится слишком далеко от своего светила.

• Каменно-ледяные и ледяные планеты. Они находятся за т. н. линией снега, или линией льда — воображаемой сферой, за пределами которой водяной лёд не прогревается излучением звезды даже до температуры возгонки и потому ведёт себя как порода, а не как летучее вещество. На планете за линией снега не может быть жидкой воды на поверхности или паров воды в атмосфере. Каменно-ледяные планеты дифференцированы; у них каменистое или железоникелевое ядро, каменистая внутренняя мантия и ледяная внешняя мантия, коры как таковой нет. Ледяные планеты («грязные снежки») недифференцированы и состоят из смеси гранул породы и льдов. Примеры в Солнечной системе: Церера, луны газовых гигантов.
  • Луны газовых гигантов. Если в пространстве за линией снега доминируют газовые гиганты, то каменно-ледяные и ледяные тела будут их спутниками. В этом случае возможен особый тип луны: водно-ледяная. Под воздействием гравитационных приливных сил луна деформируется, мнётся, её ледяная мантия проплавляется и становится жидким подлёдным океаном, в котором может зародиться примитивная жизнь. Формируется отдельная кора из твёрдого льда. Примеры в Солнечной системе: Европа (дифференцированная, каменно-ледяная) и Энцелад (проплавленный недифференцированный «снежок»).
  • Все ледяные миры очень холодные, зусман там стои́т минимум вдвое крепче, чем в Антарктиде: 140 К — это максимум. Атмосферы, как правило, нет. Если звезда испускает достаточное количество радиации, ледяные планеты и луны будут покрыты толином: смесью органических полимеров, получающейся, когда от излучения реагируют водный, аммиачный и метановый льды. В Солнечной системе толин встречается на Титане, Ганимеде, Каллисто и других лунах. Эта субстанция похожа на бурую замёрзшую жижу; есть предложения, что толин может быть ценным ресурсом для космонавтов будущего, если мы сделаем биореакторы, способные перерабатывать его в белки, жиры и углеводы.

• Миры с иными океанами. Не только вода способна образовывать океаны. При более низких температурах могут существовать планеты с океанами из нашатырного спирта, жидкого аммиака или низших жидких углеводородов. На Титане, спутнике Сатурна, существует гидросфера из жидких метана и этана. Атмосфера на таких планетах есть, но для человека она будет ядовитой, удушливой или едкой (например, на том же Титане — смесь азота, углекислого газа, метана и небольшого количества цианистого водорода). Некоторые учёные полагают, что на таких мирах возможна жизнь с иной биохимией — так, на углеродной планете могут быть океаны из нефтеобразной субстанции, карбидно-алмазные континенты и причудливая биота, дышащая угарным газом и мокнущая под бензиновым дождём и асфальтовым градом.

• Супер-вулканические планеты и луны. Их особенность — сверхмощный вулканизм, поддерживаемый потому, что их постоянно деформируют приливные силы. Супер-вулканические планеты расположены на низких орбитах разнообразных звёзд, обычно — целой стайкой. Супер-вулканические луны находятся на аналогичных орбитах вокруг наиболее тяжёлых газовых гигантов (Ио, спутник Юпитера — пример). Ни одна географическая формация здесь не является постоянной, и приземляться сюда опасно: не только из-за вулканизма, а ещё и из-за того, что здесь сильная радиация; вокруг тяжёлых газовых гигантов — сильные радиационные пояса, а звёзды-карлики излучают сами по себе — да так, что по сравнению с рядом таких планет Венера уже выглядит морозилкой.

• Сверхземли. Это тяжёлые землеподобные планеты, иногда выделяемые в отдельный класс, иногда в подкласс землеподобных планет. Массой от 3-х масс Земли. Их особенности:
  • Сильная гравитация. От 1,2 до 1,5 g — к этому ещё можно привыкнуть. Выше — нужен вид с другими генами, адаптированный к такой силе тяжести.
  • Удержание летучих веществ. Эти планеты способны удержать гелий. Возможно, на них встречается гелий-3, ценное термоядерное топливо.
  • Плотные атмосферы. Полагают, что норма для сверхземель — 5-10 атмосфер. Обычный земной воздух под таким давлением становится ядовитым, но если атмосфера состоит в основном из гелия, с земными парциальными давлениями азота и кислорода, то дышать ей можно: это, по сути, дыхательная смесь для аквалангов.
    • По состоянию на июнь 2016 года лучший кандидат на такую планету в зоне жизни — Kepler-371 d (увы, тоже неподтверждённый).

• Батипелагические планеты. Разновидность сверхземель, которым не хватило тяжёлых металлов, поэтому они сформировались изо льдов, преимущественно водяного. Это промежуточное звено между планетами земной группы и наиболее лёгкими газовыми гигантами — ледяными. Они покрыты океаном в 100 и более км глубиной, на поверхности которого дрейфуют бесчисленные острова из плавающей органики (если не холодно и не жарко) площадью от 10 соток до Мадагаскара и даже немногим более, а на дне залегает внешняя кора изо льда, который не тает из-за дикого давления. И только под этой толщей льда — минералы.
  • Прогноз для жизни на таких планетах — благоприятный, чёрные курильщики на дне найтись должны; возможно, в их атмосферах какая-то доля кислорода образуется небиологическим путём, через радиолиз водяного пара. В атмосферах некоторых из них может действовать сильный парниковый эффект; тогда условия над водой полувенерианские, и только глубже под водой начинается приятная прохлада.
  • Прогноз же для цивилизации — неутешительный: ни огня, ни руд, ни построить чего. Так что местные разумные условно-амфибии, имея понятия о координатах, морское животноводство, судостроение, планеры и катапульты, будут очень и очень долго сидеть даже не в каменном веке — камней-то здесь и нет.
  • Предполагается, что одна или две таких планеты находятся в системе Kepler-62 и ещё одна, несколько поменьше и значительно покомфортнее — в системе Kepler-442.

• Газовые гиганты. Подразделяются на ледяные гиганты, или нептуны (основную массу которых составляют такие газы, как метан и аммиак, которые по классификации считаются «льдами») и настоящие газовые гиганты, или юпитеры (основную массу которых составляет водород и гелий). Первые значительно распространеннее последних, особенно на близких к родительской звезде орбитах.
  • Типируются газовые гиганты по системе Сударского, которая позволяет предсказывать их свойства в зависимости от температуры. По системе Сударского газовые гиганты делятся на пять групп: холодные (метано-аммиачные), прохладные, теплые (водяные облака), горячие (чистые, без облаков) и очень горячие (облака из расплавленных металлов и пород).
  • Отличительное свойство газовых гигантов — это их системы спутников, которые похожи на маленькие солнечные системы. Крупные газовые гиганты были при своём рождении горячими, поэтому могут даже во внешней системе порождать каменистые спутники с металлическими ядрами (пример: Ио). В нашей системе все газовые гиганты холодные, и их подсистемы содержат ледяные и каменно-ледяные луны, одну супервулканическую луну (Ио) и одну с иной гидросферой (Титан). Но в других системах, как уже сказано выше, обнаружены газовые гиганты-мигранты, переместившиеся во внутреннюю систему. Вокруг них могут быть открыты землеподобные спутники, типа Явина IV из «Звёздных войн» или Пандоры из «Аватара». Единственная сложность в том, что газовый гигант на аккуратной круглой орбите в зоне Goldilocks — относительная редкость, чуть чаще встречаются эксцентрические, по вытянутым орбитам. А на их лунах летом можно плавить свинец, а зимой замерзают сопли в носу. Не слишком-то гостеприимно?

• Карликовые планеты. Их особенность в том, что встречаются они не сами по себе, а в поясах различного мусора (астероидных, Койпера, рассеянных дисках). Во внутренней системе карликовые планеты — по сути, очень большие астероиды, достаточно большие, чтобы стать шарами. В нашей системе есть один пример: Церера. Во внешней системе карликовые планеты — это плутоны, маленькие криогенные шарики, покрытые замёрзшим азотом и обретающиеся за областью газовых гигантов, где всё ещё крутятся первозданные планетезимали.

Климат

Циркуляция в атмосфере и гидросфере. Схема термической и галинной циркуляции в океанах: (а) — криоэра с резким континентальным климатом, (б) — термоэра с тёплыми муссонными дождями, достигающими полярных областей

Из одного того, что планета землеподобная, не следует, что это будет Сочи. Климат планеты зависит от различных её особенностей: океана, года и суток, особенностей орбиты и наклона. Тонкости климата отличают планету-курорт, где нежатся аристократы Галактической Империи, от планеты-тюрьмы, куда свозят на скотовозках воров, шлюх и диссидентов, потому что никто в здравом уме туда добровольно не полетит.

• Радиус орбиты. Чем ближе планета расположена к своему солнцу, тем больше энергии поглощает её атмосфера и поверхность и тем жарче получается её климат.
• Океаны. Они играют роль резервуара тепла, смягчающего климат. И на Земле легко заметить разницу между морским климатом и континентальным: просто проведите одно лето у Чёрного моря, а другое в Сибири. Планета, на которой большая часть поверхности занята океаном, будет иметь более мягкий климат, чем планета с отдельными изолированными морями, а планета с большим количеством маленьких континентов и островов — более мягкий, чем планета с суперконтинентом. С другой стороны, планета без океанов более устойчива к угрозе неконтролируемого парникового эффекта; некоторые учёные полагают, что практически безводная планета может избежать судьбы Венеры, оказавшись на схожей с венерианской орбите. Так что, возможно, Дюна и Татуин всё-таки существуют.
• Наклон оси. Он определяет дифференциацию времён года. Планета без наклона оси не имеет ни зимы, ни лета; жару от холода на ней отделяет только широта. Наклон оси более 25° сделает зиму и лето более ярко выраженными, чем на Земле. А при наклоне, близком к 90°, смена времён года примет экстремальный характер: в периоды солнцестояния полярные дни и ночи будут поглощать все широты вплоть до самого экватора, и пока летнее полушарие будет раскаляться незаходящим солнцем, зимнее будет сковано промозглой тьмой.
• Эксцентрическая орбита. Это орбита, имеющая форму эллипса, в одном из фокусов которого находится звезда: двигаясь по такой орбите, планета то приближается, то отдаляется от своего светила. В связи с изменением расстояния до звезды возникает другой вид времён года, не встречающийся на Земле, но имеющий место, например, на Меркурии и Марсе. Периодичность такого цикла также равна одному году, однако соответствующее ему «лето» длится короче «зимы», а разница в их длительности тем сильнее выражена, чем больше вытянута орбита. Если обычные времена года, связанные с наклоном оси, изменяют соотношение прогрева полушарий, то эксцентрические — влияют на всю планету целиком. При этом эффекты обоих явлений суммируются и в результате образуют нелинейный годичный цикл сезонов. Наиболее интересны здесь две особые фазовые конфигурации:
  • Первая — если пик обычного лета на одном из полушарий полностью совпадает с наибольшим орбитальным сближением планеты со звездой (перигелием). Лето в таком полушарии получается крайне горячим, но коротким, а зима — долгой и исключительно холодной. Зато другое полушарие отличается причудливым сочетанием противоположностей: длинные ночи короткой зимы сменяются интенсивным солнечным светом и теплом, а затянутому лету, напротив, сопутствует ленивая прохлада потускнелых дней.
  • Вторая — если точка перигелия приходится точно на равноденствие. В этой точке одно из полушарий пребывает аккурат в середине быстротекущей весны, сопровождающейся зноем и стремительным переходом в лето; летнее солнцестояние наступает раньше, чем через четверть года, после чего начинает постепенно холодать; затем приходит длинная суровая осень; а когда её, наконец, сменяет зима, время мало-помалу начинает ускоряться, и вскоре после зимнего солнцестояния начинается активная оттепель. В другом же полушарии течение сезонов проходит со сдвигом ровно на полгода: очень жаркая осень быстро выгорает и сменяется сравнительно тёплым началом зимы; переход в весну затягивается, но вместе с ней наступают долгие холода равноденствия; последняя фаза весны тянется вяло и неохотно; затем время ускоряется, дни становятся длиннее, а во второй половине лета солнце начинает топить по полной и вновь приходит осенняя жара.

Естественно, могут быть и промежуточные сочетания фаз, что будет выражаться в более запутанном соотношении климатических сезонов с долготой светового дня. Но в любом случае, на разных полушариях они будут отличаться — и тем сильнее, чем больше наклон оси и чем круче вытянута орбита.

• Светимость звезды. От интенсивности излучения звезды зависит температурный режим планеты. Чем ярче свет, тем более отдалённой должна быть орбита планеты, чтобы её поверхность не перегревалась, а чем дальше орбита — тем длиннее и год. Соответственно, у F-звёзд и субгигантов землеподобные планеты будут иметь период вращения 500—600 земных суток, а у тусклых K-звёзд — не более чем 100—200. У планет же красных карликов год должен быть настолько короток, что на него можно и не обращать внимания: за полный круговорот длительностью в один земной месяц никаких существенных скачков в температуре не ожидается. Опять же, чем длиннее годичный цикл, тем резче климат, жарче лета и холоднее зимы, и наоборот.
• Резонанс 1:1 («tidal lock»). В этих условиях оказываются планеты красных карликов (примером может быть Kepler-1649 c, самая близкая [из открытых] к Земле по размеру [всего на 4 % больше] планета в ОЗ и EPIC 220221272.06[сильно неподтв.], радиусом больше Марса но сильно меньше Земли) и более тусклых K-звёзд. Планета повёрнута к звезде только одной стороной, на ней нет ни дня, ни ночи (кроме как на терминаторе — границе светлого и тёмного полушарий, где при наклоне оси суточный цикл поддерживаться будет, но сутки будут равны году). Тут возможны два варианта (скорее всего, реализуются в природе оба): или светлое полушарие — раскалённое, а жизнь возможна только вблизи терминатора (или даже на тёмной стороне, хотя, очевидно, это не будет жизнь, зависящая от фотосинтеза), или светлое полушарие — нормальной температуры с ураганом в подсолнечной точке, а чем ближе к терминатору, тем холоднее. В любом случае эта планета будет крайне ветреной (атмосфера переносит тепло со светлого полушария на тёмное, и проявляется это в виде постоянных и мощных ветров). На заметку авторам: календарь у здешних, если будет вообще, будет основан отнюдь не на земных сутках, а на наблюдениях транзитов внутренних планет.
• Резонанс 3:2 (и ему подобные). Это альтернатива резонансу 1:1, возможная при эксцентрической орбите (как на Меркурии). В этом случае сутки будут равны аж двум местным маленьким годам, а солнце будет описывать в небе петли.
• Также если планета у красного карлика не слишком близко к звезде и находится в цепочке резонансов с массивными соседками по орбите (пример — TOI-700d), там тоже могут быть сутки продолжительностью несколько месяцев минимум.
• Планеты в кратных системах могут испытывать третий, «великий» вид времён года, который определяется тем, насколько второе солнце приближается или отдаляется. Итерации этого цикла будут длиться не местный год, а звёздный год, то есть период обращения пары звёзд друг вокруг дружки, что может быть сильно больше года. Представьте, что раз в тридцать лет наступает дикий жар, плавящий мозги, который длится два года подряд без зимы. Или представьте планету в резонансе 1:1, к которой раз в те же 30-50 лет прилетает вторая звезда, подтапливает вечные льды на тёмном полушарии, и климат сходит с ума.
• Атмосферные ячейки. Для планеты размером с Землю, с земной атмосферой и наклоном оси, свойственно формирование атмосферных ячеек, образующих климатические пояса: сухой полярный, влажный умеренный, сухой субтропический, и влажные тропический и экваториальный. В полярном поясе вероятно образование полярных пустынь, тундр и тундростепей, в сухом субтропическом — степей и пустынь. Присутствие рядом моря смягчает климат, например, в субтропиках рядом с морем образуется очень приятный «средиземноморский» климат, а в полярном поясе рядом с морем вероятнее образование тундростепи, а не полярной пустыни.
  • Смена наклона оси сдвигает границы этих поясов. Чем выше наклон, тем шире полярный и экваториальный пояса, и тем уже все остальные. На сильно наклонённой планете будет только три пояса: северный полярный (сухой), экваториальный (влажный) и южный полярный (сухой).
• Циклы Миланковича. На нашей Земле они чрезвычайно продолжительны — но что будет, если они будут длиться не десятки тысяч, а десятки земных лет? Ответ: мир, описанный Джорджем Мартином, в котором длительность сезонов вряд ли будет предсказуема.

Необычные орбиты

Кроме привычных нам эллиптических орбит, планеты теоретически могут ходить вокруг звёзд и по нестандартным орбитам. Для того, чтобы такие орбиты были стабильными, необходимо присутствие третьего тела: тяжёлого гиганта либо коричневого карлика, объекта, среднего по массе между звездой и планетой, на том же расстоянии от звезды, что и сама планета. Выглядит коричневый карлик, в зависимости от расстояния между ним и планетой, либо как винно-красная яркая звезда, либо как багрово-полосатое зловещее светило размером от Луны и выше.

• Троянские планеты. Это самый простой вид орбиты: планета обращается вокруг центральной звезды по общей орбите с коричневым карликом (или суперюпитером), значительно превосходящем её по массе. При этом она как бы «прибита» к точке L4 или L5 коричневого карлика, а значит, всегда находится на равном от него удалении — на 60 градусов впереди или позади. Соответственно, карлик выглядит с планеты всегда одинаково, как яркая винно-красная звезда, дающая свет, как Луна в полнолуние, и ходит по небу синхронно с солнцем, но впереди или позади его на несколько часов. А утром или вечером на планете наблюдается особое время суток, когда светит только карлик, но не солнце, и освещает планету призрачным багровым светом.
  • Ещё одно немаловажное свойство троянской конфигурации состоит в том, что у коричневого карлика может быть не один, а два троянца. Следовательно, таким образом на одну и ту же орбиту можно впихнуть сразу две землеподобных планеты.
• Подковообразная орбита. В этом случае, планета не «прибита» к коричневому карлику, а периодически с ним встречается, и гравитация карлика перекидывает её то на более широкую, то на более узкую орбиту. Наблюдателю, находящемуся на карлике, кажется, как будто планета гуляет по С-образной (подковообразной) траектории, где карлик расположен аккурат между концами буквы С. Как это отражается на самой планете?
  • Во-первых, карлик то приближается, то удаляется. В моменты наибольшего приближения карлик кажется багрово-полосатым зловещим светилом (и немного греет планету, на градус-другой, что, однако, достаточно, чтобы взбаламутить погодные механизмы). Во всё остальное время карлик — красная звездочка, меняющая яркость и приближение к солнцу.
  • Во-вторых, каждая встреча с карликом перекидывает планету то на более дальнюю, то на более ближнюю орбиту. Это резко воздействует на её климат: на планете будут действовать глобальные времена года (которые могут накладываться на полушарные, см. выше), смену которых всякий раз будет предвосхищать явление полосатого светила в небе. Притом вызванное таким образом «лето» окажется немного короче «зимы».
  • В-третьих, полушарные времена года не будут синхронизированы по длительности с глобальными: и то, и другое будет разными циклическими процессами, и их взаимодействие будет создавать труднопредсказуемую общую длительность тёплого и холодного сезона.
• «Головастиковая» орбита. В этом случае планета вращается вокруг точки Лагранжа коричневого карлика. Тогда она с коротким циклом — меньше года — будет то приближаться к солнцу, то отдаляться от него. С точки зрения наблюдателя на звезде будет казаться, что планета ходит по шестерёнке вместо круга, а с точки зрения наблюдателя на карлике — что она описывает вокруг точки Лагранжа что-то вроде головастика. В результате получится безумный и совершенно непредсказуемый климат, когда сегодня — снег, завтра — жара, послезавтра — дождь, а через два дня — засуха.