Кратко — нет абсолютно однозначных атмосферных маркеров жизни; самые надёжные — комбинации газов, создающие стойкое редокс‑несоответствие в контексте планеты и звезды. Ниже — разбор по молекулам, причины ложноположительных сигналов и контекстные тесты.
1) Наиболее информативные сигнатуры (высокая достоверность при правильном контексте)
- «Редокс‑несоответствие» ${\mathrm{O}}_2/{\mathrm{O}}_3$ + $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$. Совместное наличие значимых фракций ${\mathrm{O}}_2$ и $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$ указывает на непрерывное пополнение (на Земле реакция $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4+2{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ быстро уничтожает метан). Одно лишь ${\mathrm{O}}_2$ или $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$ — слабо доказательно.
- ${\mathrm{N}}_2\mathrm{O}$ (азотистый оксид). На Земле почти исключительно биогенный; абиотические пути (=молниевые разряды, термохимия) дают гораздо меньшие потоки. Обнаружение ${\mathrm{N}}_2\mathrm{O}$ в окисляющей атмосфере на уровне ppm — серьёзный аргумент в пользу биоты.
- $\mathrm{P}{\mathrm{H}}_3$ (фосфин) в окисляющей/умеренно тёплой атмосфере. На рокс/температуре подобной суперземле абиотичное производство мало вероятно, поэтому детекция в такой среде — сильный индикатор. На газовых гигантах/восстановительных атмосферах $\mathrm{P}{\mathrm{H}}_3$ может быть абиотичным.
- Короткоживущие биомаркеры (м́етил‑галогениды, DMS, изопрены) — сильнее указывают на биологию, если присутствуют в окисляющей атмосфере в устойчивых концентрациях, но их спектры сложно отделить и источники изучены хуже.
2) Часто ложноположительные / плохо однозначные маркеры
- Само ${\mathrm{O}}_2$ или ${\mathrm{O}}_3$ в отсутствии контекста. Абиотические механизмы: фотолиз воды с потерей водорода ($\mathrm{H}$ уходит в космос) приводит к накоплению кислорода; фотолиз $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ при слабом восстановлении даёт ${\mathrm{O}}_2$. Особенно риск на планетах около M‑карликов из‑за повышенного XUV/фларингового излучения.
- Само $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$. Абитические источники: серпентинизация (водород + CO2 → метан), вулканизм, импакты. Метан нужно трактовать в сочетании с другими газами.
- $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$, $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$, ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}$ обычно указывают на вулканизм/геохимию, не на биологию.
- $\mathrm{CO}$ — не биомаркер; но его наличие вместе с ${\mathrm{O}}_2$ скорее указывает на абиотичное образование ${\mathrm{O}}_2$ (недостаток восстановителей).
3) Признаки абиотического происхождения (практические индикаторы ложноположительных сигналов)
- Высокая ${\mathrm{O}}_2$ при отсутствии паров воды (${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$) и с наличием $\mathrm{CO}$ → вероятный фотолиз/потеря воды.
- Сильное наличие ${\mathrm{H}}_2$ (восстановительная атмосфера) делает ${\mathrm{O}}_2$ маловероятным биосигналом; делает возможными абиотичные $\mathrm{P}{\mathrm{H}}_3$, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$.
- Звёздный спектр/UV поток: у M‑звёзд абиотическое накопление ${\mathrm{O}}_2$ более вероятно; нужно учитывать XUV флюкс и историю потерь атмосферы.
- Планетная масса и гравитация: лёгкие планеты быстрее теряют H, что способствует накоплению абиотического ${\mathrm{O}}_2$.
4) Контекстные и методологические тесты для снижения ложноположительных срабатываний
- Ищите сочетания: например ${\mathrm{O}}_2$ (или ${\mathrm{O}}_3$) + $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$ + ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ и отсутствие $\mathrm{CO}$ — сильный аргумент за биологию.
- Сравнение со звёздной UV/XUV кривой и моделирование фотохимии для проверки, может ли абиотическая химия поддерживать наблюдаемые концентрации.
- Поиск вспомогательных геологических газов ($\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$, $\mathrm{CO}$) и температурно‑давленческого профиля (наличие жидкой воды).
- Сезонная/пространственная изменчивость газов и изотопные соотношения (если доступны) — сильные дополнительные доказательства.
- Квантификация редокс‑дisequilibrium: оценка потоков, необходимых для поддержания концентраций (поток биосинтеза должен быть реалистичен для поверхности/биосферы).
5) Практический вывод
- Никакой одиночный газ нельзя считать полностью однозначным маркером жизни без контекста. Самые убедительные случаи — это устойчивое редокс‑несоответствие (например ${\mathrm{O}}_2/{\mathrm{O}}_3$ вместе с $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$), либо обнаружение обычно биогенных молекул (${\mathrm{N}}_2\mathrm{O}$, $\mathrm{P}{\mathrm{H}}_3$, короткоживущие биомаркеры) в атмосфере, где абиотичные источники маловероятны по моделям. Универсальный подход — комбинация спектральных наблюдений, знания звезды и атмосферно‑фотохимических моделей.
Если нужно, могу кратко перечислить для конкретного типа суперземли (например в обитаемой зоне вокруг M‑карлика vs G‑типа) какие сигнатуры самые надёжные и какие тесты применить.