thumb|Tieteistaiteilijan näkemys kuvitteellista, tuntematonta tähteä kiertävästä jättiläisplaneetan elinkelpoisesta kuusta, joka on meidän tuntemiamme kuita suurempi. Kuussa on nestemäistä vettä ja sopivan viileää, joten se soveltuu elämälle. Kuun keskusplaneetta näkyy kuun taivaalla valtavan suurena. Jättiläisplaneetan suuren kuun elinkelpoisuutta saattaa häiritä jättiläisen voimakkaaseen magneettikenttään vangiksi jäänyt protonisäteily.

Tähteä ympäröivä elämänvyöhyke (elinkelpoinen vyöhyke, elämänvyöhyke, elokehä, ekosfääri) on Aurinkoa tai muuta tähteä ympäröivä vyöhyke, jolla lämpötila on sopiva nestemäisen veden esiintymiseen. Jos tällä vyöhykkeellä on planeetta, sillä voi olla elämää. Maa on ainoa varmasti tunnettu elämänvyöhykkeellä kiertävä planeetta, vaikka monien eksoplaneettojen väitetäänkin kiertävänYllättävän moni eksoplaneetta sopii elämälle. Tiede.fi. elämänvyöhykkeellä. Elinkelpoisen vyöhykkeen sisä- ja ulkorajoja esimerkiksi Auringolle ei tunneta.http://www.astro.utu.fi/edu/kurssit/perusteet/abiol.pdf

Maan tyyppistä elämää ylläpitävää planeettaa kutsutaan elinkelpoiseksi planeetaksi, joskus myös kultakutriplaneetaksi (engl. goldilocks planet). Luultavasti elinkelpoisen vyöhykkeen sijainti riippuu keskustähden lisäksi myös planeetan pyörimisnopeudesta, merten ja mannerten osuudesta ja jakaumasta, sen kaasukehän arvoista jne. Yleensä kultakutriplaneetan määritelmään sisältyy myös, että sen massan on oltava melko lähellä Maan massaa. Aurinkokunnan ulkopuolelta löydetyistä eksoplaneetoista kultakutriplaneettana pidetään nykyään lähinnä planeettaa Gliese 581 g.Ensimmäinen elämälle suotuisa eksoplaneetta Natgeo.fi 6.10.2010

Tutkijoiden mielestä yksinäiset Aurinkoa muistuttavat G-tyypin pääsarjan tähdet sopivat parhaiten elämälle. Myös kaksoistähdillä voi olla tietyin edellytyksin elämälle sopivia planeettoja.

Elinkelpoisen vyöhykkeen arviointi thumb|Mitä kirkkaampi tähti on, sitä kauempana siitä on vihreällä merkitty elämänvyöyhke. Punaisella alueella lähellä tähteä on liian kuumaa, ja elämänvyöhykkeen ulkopuolella on liian kylmää. thumb|Jos tähti on neljä kertaa Aurinkoa kirkkaampi, sen elämänvyöhyke on kaksi kertaa kauempana siitä kuin Maa Auringosta.

Optimistinen ja pessimistinen arvio Elämä Maan pinnalla on mahdollista, koska se kiertää lämmittävää Aurinkoa, joka lämmittää Maata teholla 1 370 W/m2. Maan keskimääräinen lämpötila laskettuna eri paikkojen ja päivien vuosikeskiarvoksi on noin 14,4 °C.

Meidän tuntemamme mutkikkaisiin hiiliyhdisteisiin perustuva elämä vaatii nestemäistä vettä. Niinpä elinkelpoisen vyöhykkeen laaja määritelmä on se, että planeetalla esiintyy nestemäistä vettä. Mutta lämpötila ei saa myöskään olla liian lähellä kiehumispistettä, koska silloin useimmat eliöt hajoavat. Jotkut mikroskooppisen pienet alkeistumalliset ekstremofiilit kestävät silti yli 100 °C:n lämpötiloja, ja jotkut jäkälät jonkin verran pakkasta.

Melkoisen optimistisesti on ajateltu elinkelpoisen vyöhykkeen olevan Auringolle noin 0,7–1,6/1,75 AU eli kattavan Venuksen ja Marsin.Mauri Valtonen, Maailmankaikkeutta tutkimassa;Luku 19. Onko avaruudessa elämää; 19.3 Älyllinen elämä muissa tähdissä sivu 248Pekka Teerikorpi, Mauri valtonen;Kosmos, maailmamme muuttuva kuva; Ursan julkaisuja 42; URSA 1988;; ISSN 0357-7937; Luku 42,;kohta Älyllisen elämän kehittyminen, kuva 42.1,; sivu 430. Äärirajat vyöhykkeelle ovat eri tutkijoiden mukaan 0,5Towards the Minimum Inner Edge Distance of the Habitable Zone Andras Zsom, Sara Seager, Julien de Wit – 3An Estimate of the Prevalence of Biocompatible and Habitable Planets Fogg, M. J. , Journal of the British Interplanetary Society, vol. 45, 3–12. Article. AU. Eräs arvio sijoittaa elinkelpoisen vyöhykkeen etäisyydelle 0,8–1,6 AU.Nils Mustelin, Elämää maailmankaikkeudessa, sivu 205 Kolmannen optimistisen arvion mukaan elinkelpoinen vyöhyke HZ olisi Auringolle 0,9–1,4 AU.

Pessimististen arvioiden mukaan sen sisäraja olisi karkaavan kasvihuone-ilmiön takia vain 0,93–0,96 (monesti 0,95 AU) ja ulkoraja jäätymisen takia 1,01–1,02 AU.http://www.geosc.psu.edu/~kasting/PersonalPage/Pdf/Icarus_93.pdf Mutta kaikkein pessimistisin arvio väittää Maan kiertävän lähellä elinkelpoisen vyöhykkeen sisärajaa, joka olisi 0.99 AUhttps://iopscience.iop.org/article/10.1088/2041-8205/767/1/L8/meta

A REVISED ESTIMATE OF THE OCCURRENCE RATE OF TERRESTRIAL PLANETS IN THE HABITABLE ZONES AROUND KEPLER M-DWARFS

Ravi Kumar Kopparapu

ublished 2013 March 25 • © 2013. The American Astronomical Society. Toisen hyvin pessimistisen arvion mukaan ulkoraja olisi 1,01 AU.

Monesti käytetään Kastingin arviota, jossa sisäraja on 0,95 kasvihuone-ilmiön takia ja ulkoraja 1,37 AU jäätymisen takia.

Planeetan muut ominaisuudet kuin etäisyys keskustähdestä Planeetan lämpötila riippuu monesta tekijästä: Keskustähden säteilyntuotosta ja etäisyydestä keskustähdestä, josta käsin yleensä elinkelpoista vyöhykettä tarkastellaan. Mutta planeetan lämpötilaan vaikuttavat yleensä myös valonheijastuskyky ja kasvihuone-ilmiö.

Myös planeetan radan soikeus, pyöriminen ja akselin kallistuma luovat vuoden- ja vuorokaudenaikoja. Planeetalla olevan veden määrä vaikuttaa mannerten ja merien määrään ja jakaumaan, kaasukehän kosteuteen ja pilvisyyteenkin. Pilvisyys vaikuttaa planeetan valonheijastuskykyyn ja lämpötilaan. Kaasukehän kosteus lisää kasvihuone-ilmiötä. Kaasukehän tiheys ja koostumus vaikuttavat muun muassa kasvihuone-ilmiöön ja veden olomuotoon ja näin lämpötilaan.

Jos kaasukehän paine on suurempi, elinkelpoinen vyöhyke on noin 0,1 AU aurinkoa lähempänä. Vähävetisillä, pääosin mentereesta koostuvalla avikkoplaneetalla nestemäistä vettä voi olla napojen lähellä, jos Maan etäisyys olisi 0,75 AU.

Alan tutkijoita Vuonna 1953 Hubertus Strughold määritteli elinkelpoisen vyöhykkeen "ekosfäärin". Samana vuonna Harlow Shapley kirjoitti nestemäisen veden vyöhykkeestä. Tämän vyöhykkeen esittelivät myös Philip Morrison ja Giuseppe Cocconi SETI-aiheisessa tutkimusartikkelissaan vuonna 1959. Samoihin aikoihin sitä tutki myös Su-Shu Huanghttp://www.aip.de/groups/sternphysik/stp/PDFFILES/2000/gaia_paper.pdf , joka väitti asuttavien planeettojen olevan harvinaisia moninkertaisilla tähdillä painovoimahäiriöiden vuoksi. Vuonna 1961 Frank Drake teki käsitteestä tunnetun Draken yhtälön yhteydessä. Vuonna 1964 planeettojen elinkelpoisuutta käsittelevän tutkimuksen julkaisi Stephen H. Dolehttp://www.rand.org/pubs/commercial_books/2007/RAND_CB183-1.pdf, ja Isaac Asimov kiinnostui planeettojen elinkelpoisuudesta. 2000-luvulla Peter Ward, Donald Brownlee ja Guillermo Gonzalez toivat esille ja syvensivät galaktisen elinkelpoisen vyöhykkeen ajatusta.

Michael Hartin tutkimus Michael H. Hart julkaisi vuonna 1979 tutkimuksen Habitable Zones About Main-Sequence Stars, jossa hän määritteli pitkään elinkelpoiselle vyöhykkeelle hyvin kapeat rajat, korkeintaan 0,95–1,01 AU.Nils Mustelin, elämää maailmankakikkeudessa, sivu 207 Hartin mielestä olennainen elinkelpoista vyöhykettä määrittävä tekijä tähden säteilyn lisäksi oli sen pysyvyys suunnilleen samana sen ajan, minkä tutkijat arvioivat elämän kehityksen vaativan.Stephen Webb, Missä kaikki ovat, URSA 2005; Ursan julkaisuja 96; ; ; ISSN 0357-7937: luku Heitä ei ole;Ratkaisu 36: Jatkuvasti elinkelpoiset vyöhykkeet ovat kapeita s182Nils Mustelin; Elämää maailmankaikkaudessa?; (sid.);WSOY 1980;Porvoo, Helsinki, Juva 1980; Hart ei ottanut huomioon karbonaatti-silikaatti-sykliä, joka kierrättää kasvihuonekaasu hiilidioksidin hiiltä.

Walker ja Kasting Nykyään tutkijat ovat taipuvaisia ajattelemaan, että Hartin esittämä sisäraja osuu lähelle oikeaa, mutta ulkorajan arviointi saattaa olla liian pessimistinen.

Karbonaatti-silikaatti-syklin toi esille ensi kertaa Walker ja sen pohjalta on ekokehiä laskeskellut Kasting, joka esittää minimiarvioksi elinkelpoiselle vyöhykkeelle 0,95–1,15 AU ja hieman optimistisemmaksi arvioksi 0,95–1,37 AU.

Elämän lämpötilavaatimukset

Erään lähteen mukaan ihmiselle sopivalla elinkelpoisella vyöhykkeellä olevan planeetan keskilämpötila on 0–30 °C.Suuntana Mars, s. 175 Jotkut bakteerit selviävät 120 °C:n lämpötilassa (ks. Ekstremofiilit) kun taas monisoluinen elämä vaatii normaalipaineessa alle 52 °C:n lämpötilan. Näistä voidaan johtaa eläinten asuttava ekokehä AHZ, jolla lämpötila on 0–52 °C, ja mikrobien asuttava ekokehä MHZ. Maan organismit eivät kuitenkaan kestä pitkiä aikoja yli 45 °C:n lämpötiloja, joten ekosfäärin lämpötilarajan olisi oltava alle 40 °C.Ward, Planeetta Maan elämä ja kuolema

Tähden säteily Tärkein elinkelpoisen vyöhykkeen rajoja määräävä tekijä on tähden säteilyntuotto eli luminositeetti. Tämä johtuu siitä, että esimerkiksi Maan lämpö on pääosin peräisin keskustähtemme Auringon säteilystä. Näin ollen Aurinkoa kirkkaampi tähti nostaisi Maan keskilämpötilaa. Myös jos Maa kiertäisi lähempänä aurinkoa, täällä olisi kuumempaa.

Auringon tai muun tähden säteilyn voimakkuus pinta-alaa kohti eli intensiteetti on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön. Esimerkiksi puolen Auringon tehoisen tähden säteilyn voimakkuus on Maata vastaavalla tasolla  AU:n etäisyydellä.

Niinpä Maata vastaava etäisyys tähdelle, jonka kokonaissäteilyntuotto eli bolometrinen luminositeetti tunnetaan, voidaan laskea kaavasta.

missä on elokehän keskietäisyys tähdestä, on tähden luminositeetti, ja on Auringon luminositeetti.

Maan lämpötilavaatimukset

Maan lämpötilan on pysyttävä tietyissä rajoissa. Muuten siitä kiehuu vesi pois, alkaa planeetan korventava kasvihuone-ilmiö tai kylmemmässä tapauksessa maa jäätyy lumipalloksi.

Maan keskilämpötila on saattanut olla liitukaudella 6–15 °C nykyistä korkeampi eli 21–30 °C. Maapallolla esiintyy aavikoilla yli 45 °C helteitä. Maapallo jäätyy viimeistään 40–60 °C pakkasessa pinnaltaan kokonaan, mahdollisesti jo −15 °C:ssä. (40–60?)

Planeetan jäätyminen

Mikhail Budykon vuonna 1969 tekemien tutkimusten mukaan Maa jäätyy kokonaan, jos jäätiköt etenevät jääkaudella keskimäärin 50. leveysasteelle.http://www.applet-magic.com/budyko.htm tai 25.–30. leveysasteelle.http://www.nature.com/nature/journal/v396/n6710/full/396453a0.html Nyt ne ovat noin 72. leveysasteella, ja jääkaudella olivat 62.–54. leveysasteella. Kun jäätiköt kasvavat yli kriittisen rajan, niiden Auringon säteilyä heijastava vaikutus jäähdyttää Maata, mikä se lisää jäätiköiden kasvua, ja lopulta koko Maa on jäässä. Tämä voisi tapahtua, kun Maa on 1,01–1,02 AU:n päässä Auringosta.

Tästä riippumatta S. Franck, A. Block, W. von Bloh, C. Bounama, H. -J. Schellnhuber ja Y. Svirezhev ovat julkaisseet tutkimuksen, jonka mukaan optimaalinen etäisyys Maan tyyppiselle planeetalle olisi 1,08 AU.Habitable zone for Earth-like planets in the solar system

Jos planeetan lämpötila laskee liikaa, planeetta jäätyy. Tämän rajan takana vain tulivuoritoiminnasta johtuva ilmakehän kasvava hiilidioksidipitoisuus voi kasvihuoneilmiöllään nostaa planeetan pintalämpötilan ennalleen. Hiilidioksidikin jäätyy, jos Auringon säteily laskee 0,53:een nykyisestä. Tämä aiheuttaa palautumattoman jäätymisen, koska kiinteä hiilidioksidi ei kykene ylläpitämään kasvihuoneilmiötä. Jos planeetalla kuitenkin on 8 barin hiilidioksidikaasukehä, Auringon säteily voisi laskea 0,36:een Maan säteilymäärästä, ja elämää voisi silti olla. Marsilla, joka saa Auringon säteilystä 0,32 Maan säteilymäärästä, tiedetään joskus olleen nestemäistä vettä. Tosin Marsilla ei voi olla pitkään paksua kaasukehää, johtuen sen pienestä painovoimasta.

Kasvihuone-ilmiö

Keskilämpötilan noustessa yli noin 33 °C, se alkaa nousta vesistöistä haihtuvan vesihöyryn takia merkittävästi.

Jos planeetta kuumenee jostain syystä tarpeeksi, meristä alkaa haihtua huomattavia määriä vettä. Vesihöyry on merkittävä kasvihuonekaasu, joka taas nostaa planeetan lämpötilaa, joka taas haihduttaa lisää vettä. Näin tapahtuu karkaava kasvihuone-ilmiö. Toisaalta ainakin tiettyyn rajaan asti tämä lisää pilvisyyttä, joka laskee Maan pintalämpötilaa.