Перечень основных атмосферных биосигнатур, возможные абиогенные имитаторы и наиболее надёжные сочетания — кратко, с пояснениями.
1) Основные биосигнатуры (атмосферные газы и дополнительные признаки)
- Кислород (${\mathrm{O}}_2$). Видимые/ближнеинфракрасные полосы (напр., $0.76\mu \mathrm{m}$). На Земле связан с фотосинтезом; массовая доля на Земле $\sim 0.21$.
- Озон (${\mathrm{O}}_3$). УФ/среднеинфракрасные полосы (Хэртли/Хопфельт); служит прокси для ${\mathrm{O}}_2$.
- Метан ($\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$). ИК-полосы (напр., $3.3\mu \mathrm{m}$, $7.7\mu \mathrm{m}$). Жизнь способна поддерживать высокий поток метана; устойчивость в окисленных атмосферах низкая (быстро разрушается).
- Закись азота (${\mathrm{N}}_2\mathrm{O}$). ИК-полосы; биослед на Земле (микробы). Абиотические источники редки.
- Фосфин ($\mathrm{P}{\mathrm{H}}_3$). Предложен как биосигнатура в окисляющих атмосферах при отсутствии геохимических источников.
- Метилхлорид ($\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{Cl}$), диметилсульфид (DMS), изопрены и другие слабые органические газы — биологические на Земле и потенциальные биосигнатуры при уровнях выше абиогенной фоновой продукции.
- Красный край в отражённом свете (vegetation red edge — VRE) или спектральные признаки пигментов на поверхности — не атмосферная, но усиливает уверенность.
- Редоксный дисбаланс (одновременное присутствие сильных окислителей и восстановителей, см. ниже).
2) Абиогенные процессы, имитирующие сигнатуры (по каждому признаку)
- ${\mathrm{O}}_2/{\mathrm{O}}_3$:
- Фотолиз воды и унос водорода в космос (водная потеря) → накопление ${\mathrm{O}}_2$ на сухих планетах, особенно вокруг активных M-звёзд. Критерий: низкая влажность, исчерпание восстановителей.
- Фотолиз $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ с неэффективным восстановлением (низкие вулканические потоки восстановителей) → образование ${\mathrm{O}}_2$ и CO. Наличие CO вместе с ${\mathrm{O}}_2$ — знак абиотического происхождения.
- $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$:
- Серпентинизация (водно-горная реакция Fe–Mg силикатов) производит ${\mathrm{H}}_2$, затем абиотический синтез метана (Fischer–Tropsch-подобные реакции).
- Вулканизм, гидротермальные источники, кометная доставка/удары.
- На крупных газовых/молодых планетах метан может быть первичным (не биогенным).
- ${\mathrm{N}}_2\mathrm{O}$:
- Абиотические источники редки; возможны при высокой температуре/давлении в газовых оболочках или внешних разрядах (молнии), но обычно значительно слабее биогенной продукции.
- $\mathrm{P}{\mathrm{H}}_3$:
- Может образовываться термохимически в очень восстановительных глубоких недрах или выделяться из горячих газовых гигантов; в окисляющих землеподобных атмосферах абиогенный поток мал.
- Мелкие органические газы (CH3Cl, DMS и др.):
- Абиотические газообразные продукты при гидротермальной активности, вулканизме, реакции с минералами; обычно низкие фонов уровни.
- Сезонные колебания:
- Могут иметь абиогенные причины (сезонные изменения осадков, ледников) — требуются синергетические признаки (биосигнатуры + гидрологический контекст).
3) Диагностика ложноположительных сценариев (практические критерии)
- Наличие CO вместе с ${\mathrm{O}}_2$ или ${\mathrm{O}}_3$ указывает на фотолиз $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ без биологического удаления CO. То есть сочетание ${\mathrm{O}}_2+\mathrm{CO}$ → высока вероятность абиотики.
- Высокий уровень ${\mathrm{O}}_2$ при отсутствии воды (низкая влажность, отсутствие водяных полос) → вероятна водная потеря и абиотический ${\mathrm{O}}_2$.
- Для метана — оценивать потоки: высокий $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$ в окисленной атмосфере (где время жизни коротко) требует сильный постоянный источник; сочетание ${\mathrm{O}}_2$ (или ${\mathrm{O}}_3$) + $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$ в значимых концентрациях — маловероятно при абиогенных процессах.
- Фоно- и фотохимические модели: UV-спектр звезды критичен — сильное UV усиливает фотолиз и может давать ложные ${\mathrm{O}}_2$ / ${\mathrm{O}}_3$.
4) Наиболее надёжные сочетания признаков
- Редоксный дисбаланс: одновременное обнаружение значимых количеств ${\mathrm{O}}_2$ (или ${\mathrm{O}}_3$) и восстановителя $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$ — классически самое сильное свидетельство жизни, т.к. их химическая реакция быстрая и требует постоянного пополнения. Практический порог: если $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$ поддерживается при уровне, совместимом с наблюдаемым ${\mathrm{O}}_2$, то абиогенные потоки должны быть экстремально высоки.
- ${\mathrm{O}}_2/{\mathrm{O}}_3$ + отсутствие CO + наличие водяного пара (${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$) и умеренного вулканического потока → повышает уверенность в биологическом ${\mathrm{O}}_2$.
- ${\mathrm{N}}_2\mathrm{O}$ или редкие биогазы (DMS, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{Cl}$) в концентрациях, значительно превышающих возможный абиотический фон — сильный аргумент в пользу жизни (особенно если присутствует и ${\mathrm{O}}_2$ или вода).
- Атмосферные газы + сигналы поверхности: спектральный «пигментный» знак (VRE) или сезонная цикличность газов, синхронизированная с изменением растительности-подобного поглощения, сильно повышают достоверность.
- Отсутствие контекстных предвестников абиотики: если звезда с низким экстремальным UV/нейтральная гидродинамическая история, наличие жидкой воды и умеренный вулканизм — комбинация из ${\mathrm{O}}_2+\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$ или ${\mathrm{O}}_2+{\mathrm{N}}_2\mathrm{O}$ без CO — наиболее надёжна.
5) Практические рекомендации при интерпретации наблюдений
- Всегда учитывать контекст: тип звезды (M-звёзды — частые ложные ${\mathrm{O}}_2$), наличие воды, признаки гидрологической эволюции, вулканическая активность.
- Искать несколько независимых признаков: редоксный дисбаланс + отсутствие CO + поверхностные сигналы + сезонность.
- Оценивайте потоки (флюксы), а не только концентрации: требуется модель фазовых потоков источник/сток, фотохимия и эволюция атмосферы.
- Малые органические газы и ${\mathrm{N}}_2\mathrm{O}$ — полезны как «вторичные» биосигнатуры, особенно если первичные (O2/CH4) интерпретируются неоднозначно.
Короткий вывод: одинокое обнаружение ${\mathrm{O}}_2$ или $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$ может вводить в заблуждение из‑за абиогенных механизмов (фотолиз ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}/\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$, серпентинизация и т. п.). Наиболее надёжна комбинация редоксного дисбаланса (напр., ${\mathrm{O}}_2/{\mathrm{O}}_3+\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$ или ${\mathrm{O}}_2+{\mathrm{N}}_2\mathrm{O}$), при подтверждающем контексте: наличие воды, низкий CO, соответствующий спектр звезды и доп. признаки поверхности/сезонности.