Как известно, наше Солнце, будучи типичной звездой Главной Последовательности, через несколько миллиардов лет превратится из жёлтого карлика в красный гигант. В результате оно станет более разреженным, зато поглотит Меркурий, Венеру и Землю, а через некоторое время — и Марс. Дальше нужны иллюстрации, поэтому остальную часть статьи прячу под кат.

Благодаря уважаемым @FirstJohn и @arielf в марте 2024 года на Хабре появился перевод интереснейшей статьи Джонатана О’Каллахана, в которой указано, что мы не можем с уверенностью судить, каков будет радиус Солнца на стадии красного гиганта:

Солнце в результате становится более разреженным, чем сейчас, и по этой причине кратно остывает: сегодня температура на поверхности Солнца составляет около 5770 K, а на поверхности красного гиганта — «всего» 3000-5000 K. Тем не менее, пусть такое расширение и исключает сохранение Земли в каком-либо виде кроме обугленного огарка, сам процесс расширения займёт некоторое время, и в период между 7,588 и 7,59 миллиардами лет после сегодняшнего дня наступит «окно», на которое должно прийтись кардинальное потепление климата на Марсе:

Обратите внимание: поскольку расширение Солнца будет происходить поступательно, орбиты планет также успеют отодвинуться от светила примерно на 10% от современного радиуса прежде, чем оно их накроет. Далее рассмотрим примерную хронологию выгорания Земли, а также обсудим, достаточно ли у Марса времени, воды и углекислого газа, чтобы на какой-то период планета успела обзавестись плотной атмосферой, жидкой водой на поверхности и, главное, парниковым эффектом. Парниковый эффект возникнет при сгущении атмосферы, достаточном, чтобы атмосферное давление допускало существование жидкой воды на поверхности Марса. В настоящее время это невозможно: чтобы вода могла существовать в жидкой фазе, атмосферное давление должно составлять минимум 0,006 от земного, а на Марсе этот показатель сейчас равен 0,0018:

Таким образом, если на Марсе поднимется температура, но не появится дополнительной атмосферы, он превратится из холодной пустыни в жаркую, но останется пустыней. Рассмотрим, какие существуют достоверные гипотезы о климате Марса, существовавшем на планете около 4 миллиардов лет назад, когда в северной части планеты с высокой вероятностью плескался обширный океан, в целом мелкий, но в отдельных местах достигавший глубины до 6 км.

Климат древнего Марса

Это геологические периоды в истории Марса (шкала градуирована в миллионах лет), из которых нойский отличался обилием поверхностной воды. Вероятно, климат на Марсе и тогда был холодным и суровым. Солнце тогда было менее плотным, чем сегодня, и только разгоралось, из-за чего его светимость была на 25% меньше, чем сегодня. Поскольку Марс удалён от Солнца в 1,5 раза сильнее, чем Земля, и поэтому в описываемый нойский период Марс получал (как максимум) втрое меньше солнечной энергии, чем современная Земля. Без учёта воздействия атмосферы, всё-таки оказывавшей некоторый парниковый эффект, средняя температура на Марсе в тот период должна была составлять −75 ◦C. Каким же образом можно представить в таких условиях влажный климат, допускающий существование обширных поверхностных вод?

Известно, что углекислый газ (из которого более чем на 95% состоит современная марсианская атмосфера) является парниковым, но в настоящее время никакого парникового эффекта на Марсе не наблюдается, так как атмосфера слишком тонкая. Согласно климатической модели, предложенной парижскими учёными в 2009 году, нойский период мог характеризоваться значительным вулканизмом, который, вероятно, постепенно нарастал — именно на рубеже нойского и гесперийского периода на Марсе сформировалось плато Фарсида, на котором расположены марсианский Олимп и другие высочайшие горы (Арсия, гора Павлина и др). Кроме того, в течение большей части нойского периода продолжалась поздняя тяжёлая бомбардировка (4,1-3,8 миллиарда лет назад). Поздняя тяжёлая бомбардировка — это период массового проникновения льдистых тел — прежде всего, комет — из пояса Койпера во внутреннюю часть Солнечной системы. В этот период планеты-гиганты расстанавливались по орбитам, которые занимают сегодня, тогда же формировался пояс астероидов. Возможно, с кометами на Марс и была занесена большая часть воды, а из-за падения особенно крупных тел атмосфера не только наполнялась пылью и капельно-облачной взвесью (как водяной, так и углекислотной, сухим льдом), но и другими парниковыми газами, прежде всего, аммиаком, метаном и диоксидом серы. Известно, что твёрдый аммиак и метан входят в состав комет, а сернистые газы выделяются при активном вулканизме. Таким образом, Марс мог быть влажным и при этом холодным, такой климат мог на нём сохраняться в течение пары сотен миллионов лет в конце нойского — начале гесперийского периода. Поскольку на Марсе нет признаков тектоники плит, на нём маловероятен вулканизм земного типа. Кроме того, в Солнечной системе в основном исчерпан запас комет, орбиты которых пролегают вне пояса Койпера. Но в полярных шапках Марса сохранились значительные запасы сухого льда, а вулканизм на нём теоретически может восстановиться, если Марс попадёт в приливный захват.      

Для контекста давайте рассмотрим более изученную хронологию — как, согласно современным климатическим моделям, будет по мере расширения Солнца постепенно сгорать Земля.   

Последние миллиарды земных лет

Примерно через 1,5 миллиарда лет от нынешнего дня яркость Солнца увеличится на 10%, и океаны начнут испаряться. В таком случае на Земле начнут образовываться солёные отмели, которые в миниатюре уже возникли на территории бывшего Аральского моря, а атмосфера начнёт насыщаться влагой. Поскольку водяной пар — это парниковый газ, за время, сравнимое с длительностью одного геологического периода, на Земле может сложиться ситуация «влажной стратосферы».

Влажная стратосфера – это точка невозврата. Однако скорость её необратимого наступления варьируется в разных моделях. Скорее всего, земная поверхность останется обитаемой в течение ближайшего миллиарда лет, отчасти этому поспособствует тектоника плит, позволяющая как сбрасывать излишки тепла, так и обогащать биосферу важными неорганическими веществами.  

События более далёкого будущего смоделированы в книге Майка Гуидри «Stars and Stellar Processes». Автор уделяет внимание преимущественно эволюции самого Солнца, однако она непосредственно связана с интересующим нас в этой публикации старением планет. Здесь Т0 – наше время

T0 + 5 миллиардов лет: Термоядерный синтез в ядре Солнца становится нестабильным. Солнце становится в 1,5 раза больше нынешнего размера.

T0+ 6,5 миллиардов лет. Солнце становится примерно вдвое крупнее современного размера. Океаны на Земле начинают кипеть.

T0 + 7 миллиардов лет. Солнце становится в 10 раз больше современного. К этому времени ядро Солнца состоит преимущественно из гелия, остатки водорода догорают во внешних оболочках Солнца. На поверхности Земли начинает плавиться железо. Земля теряет остатки атмосферы и начинает напоминать Меркурий. К этому моменту земная орбита примерно на 10% шире, чем сегодня. Наступает время, которое можно обозначить T1.

T1 + 60 миллионов лет. Солнце расширяется до пределов земной орбиты. Если в это время какие-нибудь инопланетные астрономы будут наблюдать Солнечную систему, они сочтут Солнце красным гигантом, а также обнаружат, что спектр Солнца засорен остатками сгорающих планет.  

В это время на Марсе

По мере того, как в течение ближайших 6 миллиардов лет светимость Солнца будет расти, на Марсе также развернутся аналогичные процессы. Примерно через 5 миллиардов лет с сегодняшнего дня температура на всей поверхности Марса превысит 273 K (0 ℃). В результате растают марсианские полярные шапки, влага из которых заполнит многочисленные приполярные кратеры. На Марсе возникнут глубокие озёра или даже небольшой океан. Одновременно будут таять подповерхностные льды, подобные земной вечной мерзлоте, из-за чего реголит начнёт заболачиваться. Поскольку в настоящее время полярные шапки Марса состоят преимущественно из углекислотного, а не из водяного льда, высвободившийся CO₂ присоединится к атмосферному углекислому газу и приведёт к нарастанию парникового эффекта. Далее возможны два сценария (в зависимости от того, каковы запасы воды на Марсе):

1)        На Марсе восстановится круговорот воды в природе. В результате приполярные области Марса станут подобны современной земной тундре. Там сложатся экологические ниши, которые могли бы быть заняты грибами, лишайниками и анаэробами, либо организмами, полагающимися одновременно на фотосинтез и хемосинтез.

2)       Из-за преобладания углекислого газа и отсутствия озонового слоя большая часть поверхностной марсианской воды будет связана в карбонатах, а меньшая будет расщеплена на кислород и водород. Марс останется сухим, но доля кислорода в его атмосфере увеличится настолько, что сложатся условия, допускающие гниение, тление и даже горение.

Такой климат будет значительно более мягким, чем современные марсианские условия. На Марсе могут сложиться климатические пояса, которые будут отличаться в основном степенью засушливости. Каньоны могут превратиться в реки, заполненные настолько концентрированным рассолом, что вблизи от экватора они будут незамерзающими. Из-за перепадов температур в марсианской атмосфере (которая к тому времени будет значительно плотнее современной) могут начаться грозы и ионосферные процессы, которые теоретически способны привести к образованию целостного или лоскутного озонового слоя. Поскольку тяготение Марса останется слабым, а магнитосфера не восстановится (для этого потребовалось бы, чтобы в ядре Марса восстановились токи магнитного динамо),  на поверхности планеты сложится специфическая экология, благоприятствующая развитию примитивной флоры и, возможно, грибов и бактерий. При этом там едва ли может возникнуть собственный «тёплый пруд Дарвина» (из-за отсутствия тектонической активности и притока комет), но могут укорениться инопланетные, например земные, инвазивные организмы.    

Заключение

В будущем такие климатические модели придётся учитывать при анализе экзопланет, в особенности потенциально жизнепригодных или потенциально обитаемых (содержащих значительные объёмы кислорода в атмосфере). По-видимому, если в системе жёлтого или оранжевого карлика скалистая планета находилась на дальней границы зоны обитаемости или даже за этой границей, то у этой планеты остаётся шанс на «бабье лето». Оно может длиться в течение десятков или сотен миллионов лет (это своеобразный «последний геологический период» в истории планеты). Учитывая, что нам известно о современном состоянии Земли и Марса, на образование жизни «с нуля» такого периода не хватит, но планета в состоянии «последнего потепления», вероятно, обладает богатой геологической историей, может расцениваться как удобный нетронутый источник минеральных ресурсов и чистой воды. Геологическая и химическая активность такой планеты будет невелика, но при этом из-за близости формирующегося красного гиганта там можно будет обойтись лучистой энергией светила («солнечной»). Полагаю, в ближайшем будущем поиск подобных экзопланет будет представлять большой научный интерес.