Изобретение земледелия 10 тысяч лет назад стало поворотным моментом в истории человечества. Оно позволило получать больше пищи с той же территории по сравнению с охотой и собирательством, и привело к росту населения. Это дало возможность основать города, организовать государственную власть и наладить торговлю, то есть – создать ту цивилизацию, которую мы знаем.
Земледелие повлияло и на Землю в целом. Его можно заметить, глядя с воздуха на ровную сетку полей, на изменения яркости разных участков планеты, а также путем анализа химического состава атмосферы. После того, как земледелие приобрело промышленный характер, его влияние на атмосферу многократно усилилось.
Джейкоб Хакк-Мисра из Института космических наук «Блю Марбл» и его коллеги предложили искать следы этого влияния с помощью мощных телескопов вроде James Webb, который начнет работу этим летом. Его камерам не удастся получить детальное изображение планеты земного типа – в лучшем случае она будет видна как точка.
Однако инструменты на борту этой обсерватории могут проводить спектроскопический анализ и выяснить, какие газы есть в атмосфере экзопланеты.
«Спектральные сигнатуры «экзоферм» стоит искать в качестве признака технологической цивилизации», – пишут авторы.
Важнейшую роль в метаболизме растений играет азот. В целом, земной воздух на 78 процентов состоит из этого газа, но растениям трудно усваивать его напрямую из атмосферы. Вместо этого они поглощают азотные соединения из почвы, в промышленном сельском хозяйстве их источником являются азотные удобрения, в том числе – аммонийные (NH4).
Объемы производства аммонийных удобрений колоссальны, и при их использовании в воздух выделяется аммиак (NH3). В земных условиях аммиак осаждается в течение нескольких дней, так что его присутствие в атмосфере можно считать признаком сельскохозяйственной деятельности. Кроме того, интенсивное сельское хозяйство является мощным источником закиси азота (N2O).
На космическом телескопе James Webb установлены несколько спектрографов, позволяющих определить химический состав атмосферы планеты по ее излучению, в том числе – обнаружить соединения азота. Поэтому авторы исследования использовали симулятор, генерирующий спектр планеты с указанным химическим составом, чтобы выяснить, реально ли обнаружить инопланетных фермеров.
Оказалось, что современными инструментами не получилось бы зафиксировать уровни аммиака и закиси азота, равные земным. Однако James Webb смог бы заметить аммиак в богатой водородом атмосфере при достижении концентрации в пять миллионных долей, при условии, что планета вращается в системе красного карлика. По оценкам ученых, такая концентрация примерно соответствует масштабам сельского хозяйства, необходимым для питания ста миллиардов человек. В данный момент концентрация аммиака в атмосфере Земли достигает пять миллиардных долей.
«Эти расчеты показывают, что одновременное обнаружение NH3 и N2O в атмосфере, которая также содержит H2O, O2 и CO2, можно считать признаком земледелия»
– пишут ученые.
Однако подобные рассуждения опираются на ряд допущений. Во-первых, гипотетическая инопланетная жизнь должна использовать тот же метаболизм, что и земная. Во-вторых, разумные существа этой планеты должны питаться аналогом сельскохозяйственных растений. В-третьих, они должны повторить путь развития человечества, изобретя промышленное сельское хозяйство с обильными применением удобрений.
Наконец, если где-то и существует двойник человеческой цивилизации, ее представители могут специально сокращать выбросы азотосодержащих газов. Закись азота вносит заметный вклад в парниковый эффект, и при росте сельскохозяйственного производства во много раз может возникнуть жизненная необходимость контролировать выбросы N2O в атмосферу.