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Doctoral Thesis
DOI
Document
Author
Full name
Fernando de Sousa Mello
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2019
Supervisor
Committee
Friaca, Amancio Cesar Santos (President)
Lage, Claudia de Alencar Santos
Marques, Leila Soares
Molina, Eder Cassola
Moreno, Jorge Luis Melendez
Pereira, Vera Jatenco Silva
Title in Portuguese
Habitabilidade na Via-Láctea em várias escalas
Keywords in Portuguese
astrobiologia
evolução de biosferas
habitabilidade
habitabilidade na Via-Láctea
modelos geofísicos
sistema Terra
zonas habitáveis
Abstract in Portuguese
A Galáxia é muito vasta para inicialmente explorarmos cada ponto detalhadamente na busca por vida. É necessário concentrar nossos esforços e atenção nos locais mais promissores. Além disso, parece não haver muitos modelos que tentem avaliar a habitabilidade de um planeta considerando o sistema como um todo, similarmente aos estudos do sistema Terra. Desse modo, o objetivo deste trabalho é estudar a habitabilidade da Via-Láctea desde a escala planetária até a escala Galáctica para derivar as características melhor associadas à habitabilidade planetária, e as regiões de nossa Galáxia mais promissoras para a procura por vida, jogando alguma luz na relação entre os fatores mais relevantes em cada escala. Os resultados desses estudos orientariam programas de busca por exoplanetas habitáveis na Galáxia. Desenvolvemos um modelo mínimo da co-evolução da geosfera, atmosfera e biosfera de nosso planeta para avaliar a evolução das condições de habitabilidade e estimar o tempo de vida da biosfera terrestre. Aplicamos esse modelo na exploração de alguns limites simples de habitabilidade para possíveis planetas telúricos e no estudo da zona habitável circunstelar (ZHC) em função de parâmetros planetários e estelares. Um modelo de evolução química da Galáxia nos permitiu conectar nosso modelo de habitabilidade à escala Galáctica e obter a densidade de planetas habitáveis em função do raio Galactocêntrico e da idade da Galáxia. Os resultados do nosso modelo básico indicam que a biosfera terrestre provavelmente entrará a em colapso em 1,63 Ganos devido ao aumento da temperatura. Planetas terrestres mais massivos e com maior abundância de material radioativo do que a Terra poderiam se manter habitáveis por longos períodos de tempo. A queda nos indicadores de atividade geológica nos planetas telúricos ao longo do tempo seria um fator restritivo adicional da extensão da ZHC em relação às suas estimativas tradicionais. Planetas habitáveis seriam mais facilmente encontrados em torno de estrelas mais jovens e mais metálicas. Cerca de 2 x 108 planetas habitáveis existiriam na Via-Láctea atual, 80% sendo mais velhos do que a Terra, e ~2/3 residindo em raios internos a 7 kpc. Nosso trabalho concorda com outros da literatura que indicam que a parte interior da Galáxia seria a região com maior número de mundos habitáveis. Sugerimos que estrelas FGK jovens, mais metálicas e mais ricas em isótopos radioativos, e as regiões internas da Galáxia seriam os locais mais promissores para abrigar planetas habitáveis. Entre os futuros aperfeiçoamentos dos nossos modelos estão a melhor integração dos diversos fatores que afetam a habitabilidade de um planeta, como a presença de diferentes gases do efeito estufa, o que poderia influenciar na fronteira exterior da ZHC, e o gradiente de isótopos radioativos na Galáxia, o que afetaria a habitabilidade de planetas telúricos.
Title in English
Milky Way habitability on various scales
Keywords in English
astrobiology
evolution of biospheres
geophysical models
habitability
habitable zones
Milky Way habitability
system Earth
Abstract in English
The Galaxy is too vast to initially explore each point in detail in the search for life. It is necessary to concentrate our efforts and attention in the most promising places. In addition, there appear to be not many models attempting to evaluate the habitability of a planet considering the system as a whole, similarly to the studies of the Earth system. Therefore, the goal of this work is to study the habitability of the Milky Way from the planetary scale to the Galactic scale to derive the characteristics most closely associated with planetary habitability, and the regions of our Galaxy most promising for the search for life, shedding some light on the relationship between the most relevant factors in each scale. The results of these studies would guide programs of search for habitable exoplanets in the Galaxy. We have developed a minimal model of co-evolution of the geosphere, atmosphere and biosphere of our planet to evaluate the evolution of habitable conditions and estimate the life span of the terrestrial biosphere. We applied this model in the exploration of some simple limits of habitability for possible telluric planets and in the study of the circumstellar habitable zone (CHZ) as a function of planetary and stellar parameters. A model of chemical evolution of the Galaxy allowed us to connect our habitability model to the Galactic scale and obtain the density of habitable planets as a function of the Galactocentric radius and the age of the Galaxy. The results of our basic model indicate that the terrestrial biosphere will probably collapse at 1.63 Gyr due to the increase in temperature. More massive telluric planets with greater abundance of radioactive material than Earth could remain habitable for long periods of time. The drop in the indicators of geological activity on telluric planets over time would be an additional restrictive factor of the extent of CHZ in relation to its traditional estimates. Habitable planets would be more easily found around younger, more metallic stars. About 2 x 108 habitable planets would exist in the current Milky Way, 80% being older than Earth, and ~2/3 residing in radii inner than 7 kpc. Our work agrees with others works in the literature that indicate that the inner Galaxy would be the region with the largest number of habitable worlds. We suggest that young, metal-rich FGK stars that are richer in radioactive isotopes and the inner regions of the Galaxy would be the most promising places to house habitable planets. Among the future improvements of our models are the better integration in a system of the various factors that affect the habitability of a planet, such as the presence of different greenhouse gases, which could influence the outer boundary of the CHZ, and the radioactive isotope gradient in the Galaxy, which would affect the habitability of telluric planets.
 
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Publishing Date
2019-11-01
 
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