Deze vraag is erg goed omdat het vele disciplines $ - $ astronomie, scheikunde, atmosferische fysica samenbrengt. Helaas is het daardoor moeilijk om bekwaam te beantwoorden door een lid van één veld. Ik kijk uit naar een gezonde discussie in het commentaargedeelte.

Waterstof

Een wetenschappelijk verantwoord verhaal zou dat in de meeste opzichten moeten zijn. Concreet:

• hoe bezit die planeet waterstof in hoge concentraties?

Waterstof is een molecuul met een kleine moleculaire massa. Als zodanig bezet het de high-end van Maxwell-Boltzmann snelheidsverdeling:

$$ f (v) \ begin {align} & = 4 \ pi \ sqrt {{\ left (\ frac M {2 \ pi RT} \ right)} ^ 3} v ^ 2 \ exp \ left (- \ frac {M {v ^ 2}} {2RT} \ right) \ end {align}. $$

$ \ ce {H2} $ zou dus na verloop van tijd aan de atmosfeer ontsnappen, aangezien ze vaak ontsnappingssnelheid bereiken

$$ v_e \ approx \ sqrt {\ frac {2GM_ {planet}} {r}}. $$

Mogelijke verklaringen waarom dit niet zou zijn gebeurd zijn:

1. Relatief jonge planeet

Een nieuw gevormd hemellichaam is zeer waarschijnlijk heet. Als zodanig zal het geen vloeibaar water bevatten, zeker niet in de mate dat er oceanen ontstaan.

Een studie door Tian et al. 'A Hydrogen -Rich Early Atmosphere '($ 2005 $) suggereren de mogelijkheid van oceanen en een gelijktijdige waterstofmengverhouding van $ 30 $%. Deze bewering is echter betwist.

Het argument van Tian et al. dat waterstofontsnapping inefficiënt was op de vroege aarde gaat ervan uit dat de bovenste atmosfeer koud zou zijn zoals op Venus, omdat de atmosfeer grotendeels uit CO2 bestaat. Hun bewering is controversieel omdat hun model afhankelijk is van andere gassen dan waterstof om de stralingskoeling te leveren, maar hun model omvat eigenlijk geen andere gassen dan waterstof. Met name de belangrijkste aanname dat de bovenste atmosfeer koud was, is niet duidelijk en moet kwantitatief worden aangepakt. [----]

De berekeningen van Visconti staan ​​in schril contrast met de koude thermosferen in de ontsnappingsmodellen van Tian et al.

bron: Zahne et al. 'Earth’s Earliest Atmospheres'. (2010) link

2. Enorm formaat en een magnetoshpere

Enorm formaat zou betekenen dat het niet verloor echt elke sfeer. Tenzij het zich dicht bij een ster bevindt, in welk geval hydrodynamische ontsnapping belangrijk zou worden. Deze planeten zijn meestal gasreuzen. We weten niet echt wat er zich in hun centrum afspeelt, maar het is vrijwel zeker geen vloeibare oceaan.

Zonder magnetosfeer zou de atmosfeer van de planeet worden weggespoeld door zonnewind, vergelijkbaar met die van Mars.

3. Waterstofproducerende micro-organismen, bijv. ., een hyperactieve, gemodificeerde Chlamydomonas reinhardtii

Dit zou uw beste gok zijn. Ik ben niet gekwalificeerd om de waarschijnlijkheid van gelijktijdige bloei van zowel waterstofproducerende als zuurstofproducerende organismen te bespreken. Op het eerste gezicht $ - $ en dit is speculatie $ - $ is het waarschijnlijk niet levensvatbaar. Vooral met zo hoge waterstofdruk (hoge oplosbaarheid).

Wat als?

Of de reactie tussen $ \ ce {O2} $ en $ \ ce {H2} $ daadwerkelijk duurt plaats (met aanzienlijke snelheid) is afhankelijk van talrijke variabelen. De verhouding van deze gassen, temperatuur, druk.

Kan zuurstof worden opgelost in water in een waterstofatmosfeer?

Kort antwoord is ja .

[Is het] een aanzienlijk bedrag?

Waarschijnlijk niet . Er zou moeten zijn, maar dit is te verwaarlozen. Zelfs als we de reactie tussen waterstof en zuurstof buiten beschouwing laten, zou de zuurstof worden gebruikt om mineralen te oxideren. Nadat deze in zekere zin verzadigd zijn en wanneer waterorganismen zich aanpassen aan meer zuurstofrijk water, zal de concentratie van $ \ ce {O2} $ toenemen. Het is nu dat het hoge waterstofgehalte een probleem wordt.

Extra discussie vereist een daadwerkelijke berekening met de opgegeven parameters en de definitie van wat een significant bedrag is. Ik heb enkele bronnen gegeven voor de kinetiek van $ \ ce {O2 / H2} $ -mengsel als dit een route is die je wilt ondernemen.

• Marcus Ó Conaire et al. . 'A Comprehensive Modelling Study of Hydrogen Oxidation' link
• Alekseev et al. . 'Het effect van temperatuur op de adiabatische brandsnelheden van verdunde waterstofvlammen: een kinetische studie met behulp van een bijgewerkt mechanisme' Combustion and Flame , 162, 5, 1884 $ - $ 1892. (2015). link
• Martin Hersch. 'Chemische reactiekinetiek van waterstof en zuurstof bij verbranding van raketmotoren'. Technische notitie van NASA . (1967). link

Rogue-planeten

In een artikel van David J. Stevenson 'Life-sustaining planets in interstellaire space' ( Nature vol. 400, pagina 32, 1999, link) stelt hij voor dat planeten die ver genoeg van hun ster verwijderd zijn of door de zwaartekracht geaccreteerd zijn, op een koers kunnen worden gestuurd buiten hun sterrenstelsel. Deze planeten zouden hun waterstof kunnen behouden omdat de effectieve temperatuur vrij laag zou zijn: geschat op ongeveer $ 30 \ \ mathrm {K} $. Volgens Stevenson,

[P] ressure-geïnduceerde ver-infrarood-opaciteit van $ \ ce {H2} $ kan voorkomen dat deze lichamen interne radioactieve warmte elimineren, behalve door een uitgebreide adiabatische (zonder verlies of toename van warmte) convectieve atmosfeer.

Dus oppervlaktetemperaturen kunnen voldoende zijn om vloeibaar water te laten bestaan. Ervan uitgaande dat de planeet in botsing is gekomen met voldoende asteroïden en kometen in een stadium waarin water werd vastgehouden, komen we aan de voorwaarden:

• waterstofrijke atmosfeer, schat Stevenson dat de druk $ 100 $ tot $ 10.000 \ \ zou kunnen bedragen. mathrm {atm} $, dus uw intuïtieve schatting was behoorlijk goed;

Sidenote: de druk op de bodem van de oceanen op aarde is (op het diepst) ongeveer $ 1000 \ \ mathrm {atm} $. We zouden dus dezelfde hoeveelheid druk op het oppervlak van de oceaan hebben.

• vloeibare oceanen.

Een mogelijkheid voor leven zou anaëroob zijn chemoautotrofen: ze hebben geen zuurstof nodig en zouden hun eigen bron van organische moleculen kunnen zijn. Ze hebben wel een aardwarmtebron nodig. Vulkanische activiteit op de bodem van de oceaanbodem is voldoende. Door willekeurige genetische mutatie kunnen deze organismen overgaan van verplichte naar facultatieve anaëroben. Onthoud: als $ \ ce {O2} $ uw product is, is $ \ ce {CO2} $ waarschijnlijk de grondstof die het organisme gebruikt.

Ik heb geen idee hoe het verder zou kunnen gaan. We zouden een gezellig ecosysteem kunnen hebben in zo'n oceaan (vooral in de buurt van ventilatieopeningen), maar hoe en waarom er evolutionaire druk zou zijn voor zuurstofrijk leven op andere diepten ... Ik weet het gewoon niet. De enige manier is om het waterstofgehalte te verlagen, maar dat hebben we nodig om warm te blijven :-). Misschien is een geleidelijke verrijking of vervanging van waterstof door andere gassen zonder verdere verlaging van de temperatuur mogelijk? (zie suggestie hieronder)

Zoals Stevenson opmerkt,

Als het leven zich kan ontwikkelen en in stand kan worden gehouden zonder zonlicht (maar met andere energiebronnen, plausibel vulkanisme of bliksem in dit geval), deze lichamen kunnen een langlevende, stabiele omgeving voor het leven bieden (zij het een waarin de temperaturen langzaam dalen op een tijdschaal van een miljard jaar). De complexiteit en biomassa kunnen laag zijn omdat de energiebron klein zal zijn, maar het is denkbaar dat dit de meest voorkomende levensplaatsen in het universum zijn.

Suggestie

Als u meer informatie wenst, overweeg dan vervolgvragen over onze

• biologie,
• natuurkunde,
• wereldopbouw,
• astronomiesite.

Ik stel voor tegen om op alle sites tegelijk te vragen. Overweeg een concreet punt te nemen (bijvoorbeeld de overgang van anaëroob naar aëroob op biologie.SE). Lees hun richtlijnen om er zeker van te zijn dat ze relevant zijn en controleer op mogelijke duplicaten. Link naar deze vraag wanneer u deze opnieuw stelt.

Veel succes!