Мир под чёрным солнцем: консультируем ужастик. Часть 1

В прошлой статье я рассказал про найденные недавно коричневые карлики в окрестностях Солнца. Это небольшие, размерами с Юпитер, горячие и почти не светящиеся в видимом диапазоне тела. В комментариях развернулась интересная дискуссия, какой могла бы быть жизнь на экзопланете, вращающейся вокруг такой недозвезды. Там есть тепло, есть приливы, вулканы, наверное, тоже есть. Только света почти нет. Я эти недели думал, читал первоисточники, считал, копил идеи, и хотел поделиться этим материалом в виде статьи, но никак не мог придумать интересный формат. И вдруг осенило.

Представим, что со мной связался режиссер и предложил поработать научным консультантом фильма. У нас, сказал он, в разработке фантастический триллер‑ужастик с рабочим названием «Инфра, царство мрака». Это история про первую межзвездную пилотируемую экспедицию с посадкой на экзопланету. Там будут аварии, трагические смерти, подвиги, ураган, нападения местной живности из темноты, луч фонаря как в темной комнате, выхватывающий отдельные детали, пешие марш‑броски через тамошние джунгли почти на ощупь. Есть сценарий, есть концепты, которые уже набросал художник. Но нужен консультант, который это все просмотрит и скажет, нет ли там глупостей. Вот этот черный рогатый тигр, мыши какие‑то летучие, живой лабиринт из растений типа кактусов, ночной пейзаж с черно‑красным диском в небе. Не хочу смешить людей и критиков. Поможешь?

Конечно, помогу. Попробуем сконструировать правдоподобную среду, флору и фауну такой планеты. Но и про зрелищность не забудем. И, чувствую, придется балансировать между реализмом и киноусловностями, выслушивая режиссерские нотации про «особый язык экрана». Статья получилась большой, и я разбил ее на две части.

Начнем со звезды, то бишь коричневого карлика. Возьмем для определенности и достоверности реальную двойную систему, соседку Солнца, Luhman 16, A и B. Вот что известно о 16A: размером он примерно с один наш Юпитер, но весит как тридцать пять. На вид это тлеющий жаркий уголек, подернутый черной облачностью, хаотичной и завихрённой, как у Земли, не полосатой как у Юпитера. Температура — 1300 K. Тепла от него идет в 45 000 раз меньше, чем от Солнца, и почти все в невидимом глазу инфракрасном диапазоне. Это важно, так как если для фильма нам нужна живая планета, то располагать ее надо в «зоне обитаемости», там, где равновесная температура допускает жидкую воду.

Малоизвестный факт, что у Земли, с её альбедо 0.3, равновесная температура ниже точки замерзания воды, но из‑за парникового эффекта она у поверхности +15°C, а не −18 °C. Сразу отвечаю на вопрос, работает ли парниковый эффект в ИК. Да, работает, но слабее, так как больше греется атмосфера, чем поверхность. У Солнца основной поток энергии приходится на видимый спектр, 0.5 мкм, у 16A максимум приходится на 2.2 мкм, это ближний ИК. Грубые прикидки говорят, что парниковый эффект должен составлять где‑то треть земного. Нет, это не значит, что планета станет на 70% холоднее. Альбедо у красного диапазона ниже, воздух хорошо поглощает тепло. Итоговый климат может быть даже не холоднее земного при том же потоке тепла, просто быть более изотермичным: меньше контраста земля/воздух, слабее конвекция.

Вопрос, куда поместить планету Инфра, зависит и от ее размеров. Не залезть бы за предел Роша; слишком большая и тяжелая планета рядом с массивным карликом начнет разваливаться приливными силами. Прикинем предел Роша для 16A, он зависит от силы сцепления пород.

Разумеется, отодвинуть планету от предела надо с запасом. При приближении к нему приливы становятся чудовищными, и они мнут литосферу как пластилин. Отсюда магматические разливы, извержения, землетрясения; вулканы выбрасывают минералы, греют почву. Это для биосферы хорошо, но тут важен баланс. Поставишь планету близко — кора начнет плавиться, превращая континенты в огненный океан. Поставишь далеко — будет тихо и холодно. А сила приливов падает как куб расстояния.

Если допустить наличие парниковых газов в атмосфере, углекислоты, метана, планету можно унести даже на миллион километров от карлика, почти на границу зоны обитаемости. Но даже там приливы будут в 52 тыс раз сильнее земных. У Ио, спутника Юпитера, геологически активного, утыканного действующими вулканами, приливы и то в 9 раз слабее. Такой сильный прилив наверняка давно остановил бы вращение Инфры, так что она сейчас должна быть повернута к своему красно‑черному светилу одной стороной. Горб из прогнувшейся мантии и океана давно уже прекратил перекатываться по планете и навечно застыл в одном положении.

Но для жизни нам нужен приливный нагрев. А его может обеспечить легкая вытянутость орбиты Инфры. Даже тысячная доля отклонения от круговой орбиты даст при таких титанических приливах живую литосферу, будут и вулканы, и землетрясения, мало не покажется. И вытянутость можно объяснить притяжением более холодного компаньона, 16B, до сих пор нами не задействованного. Оттуда, с расстояния в 350–710 млн километров, он периодически дергает Инфру. И он практически невидим, это тусклый бордово‑черный диск, размерами с Юпитер на земном небе.

Представляю, как будет зол режиссер, когда я ему объявлю, что строго по науке на Инфре не может быть восходов и закатов, что багровое светило навечно застряло в одном положении на небе, как Земля в небе Луны, что на ночной стороне планеты вечные льды, и только дневная сторона прогрета и благоприятна для жизни. Старик, скажет режиссер, по сюжету астронавты должны выживать и спасать друг друга в ночном мраке, граница сумрака и ночи должна ползти, поднимая ураганный предрассветный ветер, мрак вокруг корабля должен рассеяться после восхода. Это художественно, понимаешь? А у тебя что?

Ладно, пусть будет частичный приливный захват, когда время обращения вокруг оси («день») почти равно времени обращения вокруг карлика («году»). Какую сделаем продолжительность дня? 10 суток? Исключено, это горб высотой в километры, небывалые землетрясения, сильнейший нагрев недр, тотальный вулканизм. Это уже скорее ад протопланеты, наподобие древней Земли, её вращение затормозится за считанные миллионы лет. 30 суток? Две недели сумрака, две недели тьмы? Циклы сжатия коры будут реже, но приливная тектоника по‑прежнему на эпическом, несовместимом с жизнью, уровне. 200 суток? Уже больше похоже на правду. Приливная волна оборачивается за сезон, береговая линия все время в движении, заливы наполняются и мелеют неделями. Неторопливый литосферный прилив уже всего лишь греет, а не плавит кору. Горб, точнее, два приливных горба, приходящиеся на «полдень» и «полночь», с небольшим отставанием из‑за трения, ползут со скоростью улитки. Старик, скажу я режиссеру, получай в нагрузку к твоему рассвету еще и сезонную землетряску!

Помним, что картинка «100 дней ночи и 100 дней сумрака» будет только на экваторе и только при малом угле наклона Инфры. В умеренных широтах эта смена дня и ночи сохранится, но карлик уже не будет добираться до зенита, будет холоднее день. А в полярных областях черно‑бордовый диск вообще будет висеть на горизонте круглый год, и греть будет не особо, одаривая полюса вечным умеренным морозом, ну и полярными шапками. Режиссеру надо сказать, что для ярко выраженной смены дня и ночи и перепада температур, экваториальная зона Инфры будет самым подходящим местом действия.

Теперь давайте прикинем динамику температур и климатические процессы на экваторе при нулевом, для простоты, наклоне оси. Погодные условия важны, так как могут повлиять на детали сцен и экипировку героев. Для серьезной научной работы надо бы задействовать какую‑нибудь трехмерную климатическую модель, но нам особая точность не нужна, так что можно обойтись сведением теплового баланса. Итак, у нас поток тепла от светила по закону косинуса к поверхности, уходящее в космос тепло по формуле Стефана‑Больцмана, парниковая поправка, и геотерм (я взял его, как у Ио, два ватта на квадратный метр). Ну и перенос тепла атмосферой с дневной стороны на ночную. Плюс надо учитывать тепловую инерцию суши. Теплопроводность сухого грунта даёт глубину прогрева пропорционально корню из времени, так что за земную ночь остывают верхние десятки сантиметров, за сто суток ночи промерзнет уже метра три.

Перед самым восходом, на сто девяносто пятые сутки от предыдущего рассвета, должно быть около минус девяноста: иней, снег из остаточной влаги, воздух чуть теплее вымороженной земли. Сам восход на экваторе занимает пять суток: это время, за которое 16A целиком выползает из‑за горизонта. К десятым суткам карлик ещё низко над горизонтом, и воздух прогревается до минус пятидесяти пяти; ужасающий холод сменяется холодом просто ужасным, арктическим. На двадцать пятые сутки уже должно быть около ноля, слякоть, туманы, резкий ветер у кромки таяния. На пятидесятые сутки, в астрономический полдень, светило стоит в зените, жарко, около плюс тридцати двух, но почва ещё не нагрета до пика. Самый жар будет в районе около семидесятых суток, плюс тридцать восемь — сорок градусов, совсем как послеполуденный зной на Земле, только растянутый на недели. Далее температура начнет падать — за десять дней до заката будет уже плюс восемнадцать, а на закате, на сотые сутки, около ноля. К местной полуночи, сто пятидесятым суткам, все остынет до минус семидесяти восьми. И к предрассветным дням будет опять минус девяносто.

У побережья стужа и зной будут не такие суровые, вспоминаем разницу между Мурманском и Оймяконом. Ну и вулканы дают тепловые оазисы посреди вымороженного континента. Это, разумеется, прикидка, относительно точную погоду даст только полноценный GCM, климатическая послойная модель, с облаками и ветром.

Кстати, насчет них. Ночью небо должно быть ясное, звездное, так как вся влага на земле. А вот на восходе должен быть туман, низкий, густой, для кино идеальный. Утренние дни, пока еще холодно, самый облачный сезон, фронт у кромки таяния, туман, низкая слоистая облачность. Но уже к полудню, на пятидесятый день, должны наступить ясные дни. Конвекция на Инфре должна быть слабее земной, и атмосферные ячейки будут огромные. В отдельные дни может моросить перед жарким сезоном. В пике жары будет ясно как в Сахаре. Водяной пар хорошо поглощает ближний ИК, поэтому облачный слой может быть теплее и устойчивее земных кучевых облаков. А по общей картине неба, скажу я художнику, облака должны быть серо‑красно‑черными силуэтами на фоне огромного бордового диска, в 16 раз больше Солнца на дневном небе. И этот диск будет карабкаться утром в небо сквозь эту слоистую кашу.

А ветер? У полосы восхода ветер должен быть сильнее обычного, но не обязательно ураганом. Встающее светило начинает прогревать почву, а соседние сотни километров еще выморожены. Как следствие, получается резкий атмосферный фронт, а это неизбежное усиление ветра, поднятая пыль, турбулентность, что‑то вроде утреннего бриза, только усиленного многократно. При таком медленном вращении Инфры, сила Кориолиса будет в сотню раз слабее земной, ветры будут меньше закручиваться в циклоны. Для кино это удобно, можно просто обозначить «устойчивый предрассветный ветер».

Отдельный вопрос, каков размер самой Инфры. От этого будет зависеть сила тяжести на ней. И тут начинают играть роль особенности кинопроизводства. Если сила тяжести будет вроде лунной, в шесть раз слабее земной, перемещения актеров должны быть замедлены, прыжки будут выше и длиннее. Это на экране будет смотреться забавно первые пять минут, потом начнет утомлять. И это трудно и дорого снимать. А если сила тяжести будет большой, типа тройной, возникают проблемы с неснимаемой нагрузкой на организм. Понадобятся водные ванны для сна, экзоскелеты для ходьбы. Это тоже удорожит съёмки и сделает многие драматические сцены фильма трудновыполнимыми. Я бы предложил сделать Инфру меньше Земли процентов на 15. Разница в движениях еще незаметна, ходить и тащить на себе оборудование не составляет труда. Не забываем про вес скафандров!

Кстати, о скафандрах, а какая на Инфре атмосфера? Делать ее идентичной земной не хотелось бы, будет выглядеть наивно. Но в сценарии прописана флора и фауна, стремительные твари, возможно, теплокровные. И у меня большие сомнения, что совсем без кислорода можно обойтись. На эту тему были дискуссии, и, в общем и целом, консенсус такой, что для привычной нам жизни кислородный метаболизм необходим. Вряд ли зрителю будет интересно созерцать плесень и грибки. А без кислорода не вырастить хищника с быстрыми рефлексами.

Метаболизму, между прочим, важно не столько процентное содержание кислорода, сколько парциальное давление. На Земле, на уровне моря, оно примерно 21 кПа (21% кислорода при 1 атмосфере). По оценкам исследователей, для крупной подвижной жизни с кровообращением нужно минимум 10 кПа; если будет ниже, для разных губок и мелких червячишек сойдет, но не для тигра в джунглях. Для сцен погони теплокровных хищников за астронавтами, давление ниже 15 кПа будет неправдоподобным.

А вот откуда взять кислород на Инфре, это задачка со звездочкой. Чтобы дробить молекулу воды, высвобождая кислород, известному нам фотосинтезу нужно четыре фотона, каждый с энергией 1.8 эВ. У зелёного света (0.5 мкм) фотон несет 2.5 эВ, у глубокого красного (0.7 мкм) 1.8 эВ. А ИК фотон 2.2 мкм несёт всего 0.6 эВ, что втрое меньше необходимой энергии. Наши классические «зеленые легкие планеты» производить кислород в ИК не могут. Представляю лицо режиссера на моё: «На Инфре не может быть ни кислорода, ни чего‑то крупнее дрожжей». Я плачу тебе деньги, заявит он, придумай что‑нибудь.

Вариант первый: кислород у нас небиологического происхождения, образовался во время вспышек на карлике, обычный фотолиз воды ультрафиолетом. Но во‑первых, сейчас у 16A уже солидный возраст и вспышек почти нет. Они больше признак бурной молодости. И да, вспышки очень, очень вредны для белковой жизни. Но жизнь могла зародиться после, на накопленном кислороде. В общем, этот вариант маловероятен.

Вариант второй: кислород все‑таки биологического происхождения. Местная флора ловит очень слабую компоненту видимого света 0.7–1.0 мкм (не все же там ИК, спектр широкий) каким‑нибудь аналогом хлорофилла, с другим набором пигментов, которые, ловя крохи видимого света, ничего не отражают. Вся флора будет цвета сажи. Не зеленая, как на Земле, и даже не экзотического цвета, потому что отражать видимый свет в условиях его дефицита является непозволительной роскошью. И все равно кислорода будет мало, но он будет.

Вариант третий, запасной: местные бактерии научились неизвестному нам способу дробить молекулу воды, накапливая энергию не четырех фотонов, а десяти или пятнадцати. Да, это сценарный рояль в кустах, но иногда на такое приходится идти ради зрелищности.

К цвету растительности и ее формам мы еще вернемся, а пока прикинем состав атмосферы. Кислорода процентов пятнадцать, что дает при давлении в один бар необходимые 15 кПа, углекислота, метан, пары воды, окислы серы от многочисленных вулканов. Ну и азот, куда же без него. Углекислота и метан нужны для сильного парникового эффекта, мы же отодвинули Инфру на границу зоны обитаемости, помните? Но тут важно не переборщить. Накачать от души углекислого газа, как на Венере, нельзя. Уже 0.5% при длительном вдыхании даёт головную боль, 1% даст сонливость, а уровень выше 5% чреват потерей сознания. А долю инертных газов я задал как на Марсе, они ни на что не влияют. Возвращаясь к вопросу наличия льда: раз уж мы допустили наличие паров воды (а они неизбежны при наличии океанов), сезонной ночью они будут выпадать снегом, и формировать что‑то вроде ползущей по средним широтам планеты ледяной шапки. Утром она тает, вечером намерзает снова.

Атмосфера Инфры получилась больше похожа на земную, чем на любую другую: давление привычное, кислорода, правда, меньше, но можно даже недолго дышать, парниковых газов и углекислоты много, но без этого венерианского ужаса. И это не случайность, ведь требованием было наличие растений и животных. Режиссер обрадуется, узнав, что в такой атмосфере можно обойтись без громоздких скафандров. Достаточно плотного комбинезона (плюс шуба и шапка ночью) и кислородной маски или, еще лучше, прозрачного намордника, который не скрывает лиц актеров.

Зато постановщикам света все придется объяснять отдельно. День на Инфре хоть и теплый, но далеко не земной день. Карлик с миллиона километров греет примерно как полсолнца, но почти всё это ближний ИК, невидимый глазу. Если пересчитать световой поток 16A на орбите Инфры, выходит порядка двух‑трёх тысяч люкс при ясном небе, это как пасмурный земной день, вместо земного полдня в сто тысяч люкс. И то эта пара тысяч люкс красная, а на этот цвет наши колбочки реагируют вполсилы, так что визуально будет еще темнее. Смотреть на карлик можно не щурясь. Это тлеющий диск размером с блюдце на вытянутой руке, покрытый завихренной черной облачностью. Вдобавок и растительность здесь чёрная, и грунт чёрный, и свет тускло‑бордовый, тени размытые и еле различимые. Так что лучи фонарей и прожекторов необходимы, без них контрастную картинку в кадре не выстроишь.

Синего неба не будет. Рэлеевское рассеяние любит короткие волны, а как раз их у карлика почти нет. Небеса будут грязно‑бурыми, вишнёво‑серыми, почти чёрными в противоположной от восхода стороне. Художнику‑постановщику надо рисовать не «ночь с красной луной» и не «пасмурный закат», а некую тёмную комнату, в которой зажгли красный софит: день есть, а синевы и белого света нет.

Арктической ночью глазу будет ещё хуже, зато технике — лучше. Ночью почва, люди и местные обитатели сами светят в ИК, на 8–14 мкм. Тепловизор видит овраги, следы животных, горячие растения, снежные заносы как чёрные ямы, вулкан как прожектор. Глаз видит звёзды и ничего на земле, пока не включишь фонарь. Вот тебе и ужастик, режиссер: пятно света фонаря в океане темноты, а в тепловизоре проявляются окрестности, почти черная земля, серые заросли и подкрадывающиеся низкие яркие силуэты.