stringtranslate.com

Дэвид Кэтлинг

Дэвид К. Кэтлинг — профессор наук о Земле и космосе в Вашингтонском университете . Он планетолог и астробиолог, чьи исследования сосредоточены на понимании различий между эволюцией планет, их атмосфер и их потенциалом для жизни. Он принимал участие в программе исследования Марса NASA [1] и внес вклад в исследования, чтобы помочь найти жизнь в других местах Солнечной системы и на планетах, вращающихся вокруг других звезд. [2] [3] Он также известен своими работами по эволюции атмосферы и биосферы Земли, [4] включая то, как атмосфера Земли стала богатой кислородом, [5] что позволило сложной жизни развиться, [6] [7] и условия, благоприятствующие зарождению жизни . [8] [9] [10]

Биография

Дэвид Кэтлинг получил степень доктора философии на кафедре физики атмосферы, океана и планет Оксфордского университета в 1994 году. После работы в качестве постдокторанта, а затем научного сотрудника в Исследовательском центре Эймса НАСА с 1995 по 2001 год он стал профессором Вашингтонского университета в 2001 году. С 2012 года он является штатным профессором Вашингтонского университета. В 2023 году он был избран членом Американского геофизического союза (AGU) «за творческий подход к взаимосвязи между биотой Земли и ее атмосферой на протяжении миллиардов лет».

Исследовать

В области эволюции атмосферы Земли Кэтлинг известен своей теорией, объясняющей, как земная кора накопила большое количество окисленных минералов и как атмосфера стала богатой кислородом. [11] Геологические записи показывают, что кислород заполонил атмосферу во время Великого окислительного события (GOE), начавшегося около 2,4 миллиарда лет назад, хотя бактерии, которые производили кислород, вероятно, эволюционировали на сотни миллионов лет раньше. Теория Кэтлинга предполагает, что биологический кислород изначально использовался в реакциях с химическими веществами в окружающей среде; однако постепенно окружающая среда Земли сместилась к переломному моменту, когда кислород заполонил воздух. Атмосферный метан является ключевой частью этой теории. До того, как кислород был в изобилии, метановый газ мог достигать концентраций в сотни или тысячи раз больше, чем сегодняшние 1,8 частей на миллион. Ультрафиолетовый свет разлагает молекулы метана в верхних слоях атмосферы, заставляя водород улетучиваться в космос. Со временем необратимый выброс водорода из атмосферы — мощного восстановителя — привел к окислению Земли и достижению точки невозврата GOE. [12] Измерения атмосферного ксенона в древней морской воде, запертой внутри старых пород, опубликованные с 2010-х годов, подтверждают теорию: атмосферный ксенон Земли и его более легкие изотопы, вероятнее всего, были утеряны, будучи вытянутыми в космос энергично высвобождающимся водородом. [13]

Другие исследования атмосферного кислорода Земли рассматривают его второе увеличение около 600 миллионов лет назад как предшественника роста животной жизни . Кэтлинг предложил рассмотреть чувствительные к кислороду изменения стабильных изотопов селена , чтобы отслеживать кислород в атмосфере и морской воде, и результаты такого исследования показали, что второе увеличение кислорода на Земле происходило скачками, разбросанными примерно на 100 миллионов лет. [14] [15]

Кэтлинг также внес вклад в первые измерения толщины атмосферы Земли миллиарды лет назад. Он помог разработать два метода: использование ископаемых отпечатков дождевых капель для установления верхнего предела плотности воздуха, который был применен к ископаемым отпечаткам 2,7 миллиарда лет назад, [16] [17] и использование ископаемых пузырьков в древних потоках лавы, что предполагает, что давление воздуха 2,7 миллиарда лет назад было меньше половины давления современной атмосферы. [18] [19]

Кэтлинг также исследовал эволюцию атмосферы и поверхности Марса. [20] В 1990-х годах он был пионером в исследовании того, как типы солей из высохших озер или морей на Марсе могут указывать на прошлую среду и был ли Марс пригоден для жизни. [21] С тех пор открытие солей и глин из бывших озерных лож стало ключевым успехом миссий на Марс НАСА и ЕКА . Кэтлинг был в научной группе миссии НАСА Phoenix Lander , которая в 2008 году стала первым космическим аппаратом, приземлившимся в богатых льдом высоких широтах Марса. Кэтлинг внес вклад в исследования, которые включали первые зачерпывания посадочным модулем водяного льда из-под поверхности Марса [22] и первое измерение растворимых солей в марсианской почве, включая pH почвы . [23] В экспериментальной работе с Джонатаном Тонером по исследованию низкотемпературных растворов перхлоратных солей, обнаруженных на Марсе, Тонер и Кэтлинг обнаружили, что такие растворы очень охлаждаются и никогда не кристаллизуются. [24] Перхлораты образуют стекла ( аморфные твердые вещества ) при температуре около -120 °C. Известно, что стекла гораздо лучше сохраняют микробы и биологические молекулы, чем кристаллические соли, что может иметь отношение к поиску жизни на Марсе , спутнике Юпитера Европе и спутнике Сатурна Энцеладе .

В области планетарных атмосфер Дэвид Кэтлинг и Тайлер Робинсон предложили общее объяснение любопытного наблюдения: минимальная температура воздуха между тропосферой (самым нижним слоем атмосферы, где температура падает с высотой) и стратосферой (где температура увеличивается с высотой в « инверсии ») происходит при давлении около 0,1 бар на Земле, Титане, Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне. Этот уровень является тропопаузой . Робинсон и Кэтлинг использовали физику излучения, чтобы объяснить, почему минимум температуры тропопаузы в этих крайне разных атмосферах происходит при общем давлении. [25] Они предполагают, что давление около 0,1 бар может быть довольно общим правилом для планет со стратосферными температурными инверсиями. Это правило может ограничивать атмосферную структуру экзопланет и, следовательно, их поверхностную температуру и обитаемость.

Работа Кэтлинга и его студентов также является первой, в которой точно количественно определено термодинамическое неравновесие в планетарных атмосферах Солнечной системы, что было предложено в качестве средства для поиска жизни на расстоянии. [2] [26] [27]

Работы

Дэвид Кэтлинг является автором более 150 научных статей или глав книг. Он является автором следующих книг:

Ссылки

  1. ^ Шапиро, Нина (апрель 2015 г.). «По мере того, как разгорается новая космическая гонка, Марс снова манит». Seattle Weekly . Архивировано из оригинала 22-08-2016 . Получено 21-08-2016 .
  2. ^ ab Криссансен-Тоттон, Дж.; Бергсман, Д.С.; Кэтлинг, Д.К. (2016). «Об обнаружении биосфер по химическому дисравновесию в планетарных атмосферах». Астробиология . 16 (1): 39–67. arXiv : 1503.08249 . Bibcode : 2016AsBio..16...39K. doi : 10.1089/ast.2015.1327. PMID  26789355. S2CID  26959254.
  3. ^ Криссансен-Тоттон, Дж.; Швитерман, Э.; Чарнай, Б.; Арни, Г.; Робинсон, ТД; Медоуз, В.; Кэтлинг, Д.К. (2016). «Уникальна ли бледно-голубая точка? Оптимизированные фотометрические полосы для идентификации планет земного типа». Astrophysical Journal . 817 (1): 31. arXiv : 1512.00502 . Bibcode :2016ApJ...817...31K. doi : 10.3847/0004-637X/817/1/31 . S2CID  119211858.
  4. ^ Catlng, David C.; Zahnle, Kevin J. (2020). "The Archean Atmosphere". Science Advances . 6 (9): eaax1420. Bibcode : 2020SciA....6.1420C. doi : 10.1126/sciadv.aax1420. PMC 7043912. PMID 32133393.  Получено 5 августа 2022 г. 
  5. ^ Catling, DC (2014). «The Great Oxidation Event Transition». В Голландии, HD; Turekian, KK (ред.). Treatise on Geochemistry (Второе изд.). Амстердам: Elsevier . С. 177–195. doi :10.1016/B978-0-08-095975-7.01307-3. ISBN 9780080983004.
  6. ^ Catling, DC; Glein, CR; Zahnle, KJ; McKay, CP (июнь 2005 г.). «Почему O 2 требуется для сложной жизни на обитаемых планетах и ​​концепция планетарного «времени оксигенации». Астробиология . 5 (3): 415–438. Bibcode :2005AsBio...5..415C. doi :10.1089/ast.2005.5.415. PMID  15941384. S2CID  24861353.
  7. ^ Дормини, Брюс (2012). «Почему инопланетяне также дышат кислородом». Журнал Forbes . Получено 21 августа 2016 г.
  8. ^ Андерсон, Пол Скотт. «Помогли ли богатые фосфором озера зародиться жизни на Земле?». EarthSky . EarthSky Communications Inc . Получено 5 августа 2022 г. .
  9. ^ Тонер, Джонатан Д.; Кэтлинг, Дэвид К. (2019). «Щелочные озерные условия для концентрированного пребиотического цианида и происхождение жизни». Geochimica et Cosmochimica Acta . 260 : 124–132. Bibcode : 2019GeCoA.260..124T. doi : 10.1016/j.gca.2019.06.031 . S2CID  198356131.
  10. ^ Zahnle, Kevin J.; Lupu, Roxana; Catling, David C.; Wogan, N. (2020). «Создание и эволюция восстановленных атмосфер ранней Земли, образовавшихся в результате ударов». Planetary Science Journal . 1 (1): 11. arXiv : 2001.00095 . Bibcode : 2020PSJ.....1...11Z. doi : 10.3847/psj/ab7e2c . S2CID  209531939.
  11. ^ Catling, DC; Zahnle, KJ; McKay, CP (2001). «Биогенный метан, утечка водорода и необратимое окисление ранней Земли». Science . 293 (5531): 839–843. Bibcode :2001Sci...293..839C. CiteSeerX 10.1.1.562.2763 . doi :10.1126/science.1061976. PMID  11486082. S2CID  37386726. 
  12. ^ Zahnle, KJ; Catling, DC «В ожидании кислорода». В Shaw, GH (ред.). Специальный доклад 504: Ранняя атмосфера Земли и поверхностная среда . Геологическое общество Америки . стр. 37–48.
  13. ^ Zahnle, Kevin J.; Gacesa, Mark; Catling, David C. (2019). «Странный посланник: новая история водорода на Земле, рассказанная ксеноном». Geochimica et Cosmochimica Acta . 244 (1): 56–85. arXiv : 1809.06960 . Bibcode : 2019GeCoA.244...56Z. doi : 10.1016/j.gca.2018.09.017. S2CID  119079927. Получено 5 августа 2022 г.
  14. ^ Pogge von Strandmann, P.; Stüeken, EE; Elliott, T.; Poulton, SW; Dehler, CM; Canfield, DE; Catling, DC (2015). «Свидетельство изотопов селена для прогрессивного окисления неопротерозойской биосферы». Nature Communications . 6 : 10157. Bibcode : 2015NatCo...610157P. doi : 10.1038/ncomms10157. PMC 4703861. PMID  26679529 . 
  15. ^ "Кислород обеспечил дыхание жизни, что позволило животным эволюционировать". Washington.edu . Получено 31 января 2016 г.
  16. ^ Сом, SM; Кэтлинг, DC; Харнмейер, JP; Поливка, PM; Бьюик, R. (2012). «Плотность воздуха 2,7 миллиарда лет назад была ограничена менее чем вдвое современным уровнем по отпечаткам ископаемых капель дождя». Nature . 484 (7394): 359–362. Bibcode :2012Natur.484..359S. doi :10.1038/nature10890. PMID  22456703. S2CID  4410348.
  17. ^ Мардер, Дженни (2012). «Чему противень и лак для волос научили нас о древней атмосфере Земли». PBS Newshour . Получено 21 августа 2016 г.
  18. ^ Som, SM; Buick, R.; Hagadorn, JW; Blake, TS; Perrault, JM; Harnmeijer, JP; Catling, DC (2012). «Давление воздуха на Земле 2,7 миллиарда лет назад было ограничено менее чем половиной современных уровней». Nature Geoscience . 9 (6): 448–451. Bibcode :2016NatGe...9..448S. doi :10.1038/ngeo2713. S2CID  4662435.
  19. ^ «Любопытная легкость ранней атмосферы». The Economist . Т. 419, № 8989. 14–20 мая 2012 г. С. 69–70.
  20. ^ Кэтлинг, Дэвид К. (2014-08-04). «Атмосфера Марса: история и взаимодействие на поверхности». В Spohn, T.; Breuer, D.; Johnson, TV (ред.). Энциклопедия Солнечной системы (третье изд.). Амстердам: Elsevier. стр. 343–357. ISBN 9780124158450.
  21. ^ Кэтлинг, Д.К. (1999). «Химическая модель для эвапоритов на раннем Марсе: возможные осадочные трассеры раннего климата и их значение для исследований». Журнал геофизических исследований . 104 (E7): 16, 453–16, 470. Bibcode : 1999JGR...10416453C. doi : 10.1029/1998JE001020 . S2CID  129783260.
  22. ^ Смит, PH; Тампари, Л.; Арвидсон, Р.Э.; Басс, Д.С.; Блейни, Д .; Бойнтон, В.В.; Карсвелл, А.; Кэтлинг, Д.К.; и др. (2009). «H2O на месте посадки Феникса». Science . 325 (5936): 58–61. Bibcode :2009Sci...325...58S. doi :10.1126/science.1172339. PMID  19574383. S2CID  206519214.
  23. ^ Хехт, М. Х.; Кунавес, С. П.; Куинн, Р. К.; Уэст, С. Дж.; Янг, СММ; Минг, Д. В.; Кэтлинг, Д. К.; Кларк, Б. К.; Бойнтон, В. В.; Хоффман, Дж.; ДеФлорес, LP; Господинова, К.; Капит, Дж.; Смит, П. Х. (2009). «Обнаружение перхлората и растворимой химии марсианского грунта: результаты исследования марсианского посадочного модуля Phoenix Mars Lander». Science . 325 (5936): 64–67. Bibcode :2009Sci...325...64H. doi :10.1126/science.1172466. PMID  19574385. S2CID  24299495.
  24. ^ Тонер, Дж. Д.; Кэтлинг, Д. К.; Лайт, Б. (2014). «Образование переохлажденных рассолов, вязких жидкостей и низкотемпературных стекол на Марсе». Icarus . 233 : 36–47. Bibcode :2014Icar..233...36T. doi :10.1016/j.icarus.2014.01.018.
  25. ^ Робинсон, ТД; Кэтлинг, ДК (2014). «Обычная тропопауза 0,1 бар в плотных атмосферах, установленная инфракрасной прозрачностью, зависящей от давления». Nature Geoscience . 7 (1): 12–15. arXiv : 1312.6859 . Bibcode :2014NatGe...7...12R. doi :10.1038/NGEO2020. S2CID  73657868.
  26. ^ Хики, Ханна. «Новое «атмосферное неравновесие» может помочь обнаружить жизнь на других планетах». UW News . University of Washington . Получено 5 августа 2022 г. .
  27. ^ Криссансен-Тоттон, Джошуа; Олсон, Стефани; Кэтлинг, Дэвид К. (2018). «Неравновесные биосигнатуры в истории Земли и их значение для обнаружения жизни на экзопланетах». Science Advances . 4 (1): eaao5747. arXiv : 1801.08211 . Bibcode :2018SciA....4.5747K. doi :10.1126/sciadv.aao5747. PMC 5787383 . PMID  29387792. S2CID  13702047.