Спросите Итана: откуда на замёрзших планетах жидкая вода?
Высокая отражающая способность поверхности ледяной луны Сатурна, Энцелада, говорит о присутствии в большом количестве постоянно обновляющегося льда, чего не наблюдается ни на одной другой луне в Солнечной системе
Солнечная система не устаёт удивлять нас, и, возможно, одной из самых больших неожиданностей стал тот факт, что Земля – не единственный мир, на поверхности которого есть жидкая вода. Да, конечно, на Марсе иногда появляется немного воды, но такие миры, как луна Юпитера Европа, луна Сатурна Энцелад и даже далёкий Плутон обладают огромными подповерхностными океанами, причём на некоторых из этих миров воды ещё больше, чем на Земле. Однако, в отличие от Земли или даже Марса, эти миры так далеко отстоят от Солнца и там так холодно, что даже самые высокие температуры на поверхности не добираются до температуры плавления льда. Так как же на них сохраняется жидкая вода? Именно это хочет узнать наш читатель:
Я читал о луне Сатурна Энцеладе и о том, что учёные считают, что на ней существуют океаны жидкой воды под её ледяной коркой. Однако я также прочёл, что максимальная температура на поверхности составляет -90° С. Как же у этой луны может быть жидкая вода? При таких низких температуре и давлении на Энцеладе должны были быть только водяной лёд и пар, но не вода.
Начнём с того, как ведёт себя вода у нас на Земле.
Вода в трёх состояниях: жидком, твёрдом (лёд) и газообразном (невидимый водяной пар в воздухе). Облака – это скопление водяных капель, сконденсировавшихся из насыщенного паром воздуха.
На Земле вода может существовать в трёх состояниях: твёрдом, жидком и газообразном, в зависимости от температуры. Ниже 0° C вода замерзает и превращается в лёд; выше этой точки и ниже 100° C вода жидкая; выше 100° C вода существует в виде газообразного пара. Именно так нас учат в школе, и по большей части это верно. Но существуют некоторые условия, при которых вода может начать вести себя совсем по-другому. К примеру, если вы живетё на большой высоте, например, в Боготе (Колумбия), Кито (Эквадор), Эль-Альто (Боливия) – а в каждом из этих городов живёт более миллиона человек — то вода у вас кипит при гораздо меньшей температуре.
Фазовая диаграмма воды, с указанием различных видов льда, жидкого и газообразного состояний, и условий, при которых они возникают. Заметьте, что ниже -22° C жидкая вода существовать не может ни при каком давлении
Всё оттого, что давление влияет как на точку кипения, так и на точку замерзания. В глубинах космоса без атмосферы жидкая вода существовать не может; она может существовать либо в твёрдой, либо в газообразной фазах. Но на Земле при пониженном давлении вода кипит при пониженной температуре, а если приложить достаточно большое давление, то лёд тает и становится жидким. Последний факт часто удивляет людей, до тех пор, пока не просишь их вспомнить о коньках. Без коньков на льду очень скользко и вам трудно контролировать ваши движения или достичь трения; ваши ботинки скользят по замёрзшей поверхности льда. Но с коньками всё давление вашего веса концентрируется на лезвии, что увеличивает давление на лёд и заставляет его временно плавиться.
Фигуристы оставляют следы на льду, поскольку их коньки, скользя по поверхности, оказывают давление, достаточное для превращения льда в воду
Стоит учесть и ещё один факт: точка замерзания воды изменяется в зависимости от того, что в ней растворено. Если вы когда-нибудь клали водку в морозилку, вы знаете, что смесь воды и 40% алкоголя замерзает не при температуре замерзания воды, ей нужна температура гораздо ниже. Наш океан с растворённой в нём солью тоже обладает пониженной точкой замерзания по сравнению с чистой водой: порядка -2° C при примерно 4% солёности. Поэтому можно опустить температуру ниже замерзания воды и всё равно остаться с жидкой водой – в зависимости от того, что в ней ещё есть. Это одна из наиболее удивительных особенностей Марса, где чистая жидкая вода вообще не должна существовать.
Потёки воды на склонах, вроде этих — на южном склона кратера на дне каньона Меласс — сначала постепенно вырастают, а потом исчезают, заполняясь пылью с марсианского ландшафта. Известно, что они являются следствием потоков жидкой солёной воды.
При давлениях и температурах, существующих на поверхности Марса, жидкой воды физически не должно быть. Но благодаря высокому содержанию соли в некоторых видах марсианской почвы, вода, конденсируясь на поверхности, может существовать в жидкой фазе. Потоки воды, идущие вниз по склонам стенок кратеров, стали первым прямым свидетельством наличия жидкой воды вне Земли.
Но если заглянуть ещё дальше в Солнечную систему, посмотреть на миры вроде Европы, Энцелада, или даже на Плутон – там мы не найдём воды на поверхности.
Европа, одна из крупнейших лун Солнечной системы, движется по орбите вокруг Юпитера. Под её замёрзшей ледяной поверхностью находится жидкий океан, подогреваемый приливными силами Юпитера
Пристальное изучение этих миров открывает лишь лёд. Да, это водяной лёд, что даёт нам надежду, но температуры на этих мирах, расположенных в несколько раз дальше, чем Земля от Солнца, не только никогда не приближаются к показателю в 0° C — что необходимо для появления жидкой воды на поверхности Земли — но даже никогда не приближаются к температуре, позволившей бы жидкой воде существовать при любом давлении. И всё же, если на этих мирах углубиться под поверхность льда, мы приблизимся к ней, поскольку подо всем этим льдом существует огромное давление.
Плутон и Харон в отредактированном цвете; изображения получены с камеры межпланетной станции «Новые горизонты». Замёрзшая поверхность Плутона – это ещё не всё; на большой глубине у него есть подповерхностный океан жидкой воды.
Требуется атмосфера толщиной в 100 км, чтобы создать атмосферное давление, которое мы ощущаем на уровне моря – однако чтобы удвоить это давление, нужно всего лишь 10 метров воды. На другом мире лёд легко может достигать тысячи метров в толщину, и создавать огромные давления, приближающие нас к жидкой фазе воды. Но даже при наличии солей во льду жидкая вода всё равно не появится без ещё одного дополнительного фактора: источника тепла. К счастью, у каждого из этих миров есть источник тепла: близко расположенная массивная планета-компаньон.
«Равнина Спутника» на Плутоне. Геологические особенности, выявленные станцией «Новые горизонты», говорят о наличии подповерхностного океана под обширной и глубокой ледяной коркой на поверхности Плутона, простирающейся по всей карликовой планете.
У Европы есть Юпитер, у Энцелада есть Сатурн. У Плутона есть луна Харон. Вся эта троица, комбинируя крупную массу и относительно близкое расположение, оказывает весьма серьёзное приливное воздействие на эти миры. И эти силы не просто приводят к небольшим деформациям внешних слоёв – они растягивают, сжимают и раскалывают внутренности этих миров, из-за чего те разогреваются. Если учесть количество приливного тепла и добавить оказываемое льдом давление и соль, существующую под внешними слоями льда, можно получить искомое: жидкий океан под ледяной поверхностью.
Приливных сил, действующих на луну Сатурна Энцелад, достаточно для того, чтобы разорвать ледяную корку и разогреть внутренности, что заставляет подповерхностный океан извергать в космос воду на высоту в сотни километров
Европа демонстрирует огромные трещины на поверхности, свидетельства тех моментов, когда там ломался лёд и на поверхность выступала вода. Подповерхностный океан Энцелада – наиболее зрелищный, жидкая вода извергается из него и поднимается в космос на сотни километров над поверхностью. Эти водяные столбы Энцелада настолько сильны, что отвечают за образование одного из колец Сатурна – кольца Е. Наконец, под замёрзшей поверхностью Плутона, что, возможно, оказалось одним из самых неожиданных сюрпризов, имеется жидкий водяной океан. А если там есть вода, тепло и растворённые химические соединения, то вполне возможно – хотя пока лишь гипотетически – что под поверхностью этих миров можно найти что-то поинтереснее простой воды.
Иллюстрация внутренностей луны Сатурна Энцелада, где показан глобальный жидкий водяной океан, расположенный между скалистым ядром и ледяной коркой. Толщина слоёв не в масштабе.
Может ли существовать жизнь на мире, где солнечный свет никогда не достигает жидкого океана, способного служить домом для этой жизни? Это возможно, и потенциально проверить эту гипотезу можно будет сначала на Энцеладе. Наличие гейзеров даёт фактическую возможность солнечному свету катализировать некоторые из биохимических молекул, способных породить жизнь, перед тем, как они снова упадут на ледяную поверхность луны. За достаточно долгое время над ними может скопиться достаточно льда, чтобы давление заставило лёд расплавиться – и этот процесс в принципе может создать долгосрочный цикл появления жизни на этом мире. И чтобы выяснить это, нам не придётся копать этот мир или втыкать в него зонд на большую глубину – нужно просто отправить космический корабль мимо одного из гейзеров Энцелада и взять из него пробу. Может ли жизнь за пределами Земли быть настолько легко доступной для нас внутри Солнечной системы? Возможно, если нам повезёт, когда-нибудь мы узнаем об этом.
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
Источник
Вода есть не только на Земле, но и на других планетах. Как она туда попала?
Вода есть не только на Земле, но и в космосе, например, на Луне и других планетах. Но как она туда попадает? Рассказываем, что известно об образовании космической воды, как она перемещается между планетами и зачем нужна.
Читайте «Хайтек» в
Внеземная вода
Вода вне планеты Земля или хотя бы следы ее существования в прошлом являются объектами сильного научного интереса, так как предполагают существование внеземной жизни.
Земля, 71% поверхности которой покрыто водными океанами, является на данный момент единственной известной в Солнечной системе планетой, содержащей воду в жидком состоянии.
Имеются научные данные, что на некоторых спутниках планет-гигантов (Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна) вода может находиться под толстой корой льда, покрывающей небесное тело. Однако однозначных доказательств наличия жидкой воды в Солнечной системе, кроме как на Земле, на данный момент нет.
Океаны и вода могут иметься в других звездных системах и/или на их планетах и других небесных телах на их орбите. Например, водяной пар был обнаружен в 2007 году в протопланетном диске в 1 а. е. от молодой звезды MWC 480.
Ранее считалось, что водоемы и каналы с водой могут находиться на поверхности Венеры и Марса. С развитием разрешения телескопов и появлением других методов наблюдения эти данные были опровергнуты. Однако присутствие воды на Марсе в далеком прошлом остается темой для научных дискуссий.
Томас Голд в рамках гипотезы о Глубокой горячей биосферы заявлял, что многие объекты Солнечной системы могут содержать подземные воды.
Лунные моря, представляющие собой, как сейчас известно, огромные базальтовые равнины, ранее считались водоемами. Впервые некоторые сомнения относительно водной природы лунных «морей» высказал Галилей в своем « Диалоге о двух системах мира». Учитывая, что теория гигантского столкновения на данный момент является господствующей среди теорий происхождения Луны, можно сделать вывод, что на Луне никогда не было морей или океанов.
Вспышка от столкновения разгонного блока «Центавр» зонда LCROSS с Луной
В июле 2008 года группа американских геологов из Института Карнеги и Университета Брауна обнаружила в образцах грунта Луны следы воды, в большом количестве выделявшейся из недр спутника на ранних этапах его существования. Позднее большая часть этой воды испарилась в космос.
Российские ученые с помощью созданного ими прибора LEND, установленного на зонде LRO, выявили участки Луны, наиболее богатые водородом. На основании этих данных НАСА выбрало место для проведения бомбардировки Луны зондом LCROSS. После проведения эксперимента, 13 ноября 2009 года НАСА сообщило об обнаружении в кратере Кабеус в районе южного полюса воды в виде льда.
По мнению руководителя проекта Энтони Колапрета, вода на Луне могла появиться из нескольких источников: из-за взаимодействия протонов солнечного ветра с кислородом в почве Луны, принесена астероидами или кометами или межгалактическими облаками.
Согласно данным, переданным радаром Mini-SAR, установленным на индийском лунном аппарате Чандраян-1, всего в регионе северного полюса обнаружено не менее 600 млн тонн воды, большая часть которой находится в виде ледяных глыб, покоящихся на дне лунных кратеров. Вода была обнаружена в более чем 40 кратерах, диаметр которых варьируется от 2 до 15 км. Сейчас у ученых уже нет никаких сомнений в том, что найденный лед — это именно водный лед.
Венера
До того, как космические аппараты сели на поверхность Венеры, высказывались гипотезы, что на ее поверхности могут находиться океаны. Но, как выяснилось, для этого на Венере слишком жарко. В то же время в незначительном количестве водяной пар обнаружен в атмосфере Венеры.
На данный момент имеются веские основания считать, что в прошлом на Венере существовала вода. Мнения ученых расходятся лишь в отношении того, в каком состоянии она находилась на Венере. Так, Дэвид Гринспун из Национального музея науки и природы в Колорадо и Джордж Хасимото из Университета города Кобэ считают, что вода на Венере существовала в жидком состоянии в виде океанов.
Свои выводы они основывают на косвенных признаках существования гранитов на Венере, которые могут образоваться лишь при значительном присутствии воды. Однако гипотеза о вспышке вулканической активности на планете около 500 млн лет назад, которая полностью изменила поверхность планеты, затрудняет проверку данных о существовании океана воды на поверхности Венеры в прошлом. Ответ мог бы дать образец грунта Венеры.
Эрик Шасефьер из Университета Париж-Юг (Université Paris-Sud) и Колин Уилсон из Оксфордского университета считают, что вода на Венере никогда не существовала в жидком виде, но содержалась в гораздо большем количестве в атмосфере Венеры. В 2009 году с помощью зонда Venus Express были получены доказательства того, что из-за солнечного излучения большой объём воды был потерян из атмосферы Венеры в космос.
Телескопические наблюдения со времен Галилея давали ученым возможность допускать, что на Марсе есть жидкая вода и жизнь. По мере роста объема данных о планете оказалось, что воды в атмосфере Марса содержится ничтожно малое количество, и было дано объяснение феномену марсианских каналов.
Ранее считалось, что до того, как Марс высох, он был более похожим на Землю. Открытие кратеров на поверхности планеты поколебало эту точку зрения, но последующие открытия показали, что, возможно, вода в жидком состоянии присутствовала на поверхности Марса.
Имеется гипотеза о существовании в прошлом покрытого льдом Марсианского океана.
Имеется ряд прямых и косвенных доказательств присутствия в прошлом воды на поверхности Марса или в его глубине.
- На поверхности Марса выявлено около 120 географических областей, носящих признаки эрозии, которая, скорее всего, протекала при участии жидкой воды. Большинство этих областей в средних и высоких широтах, причем большая их часть находится в южном полушарии. Это прежде всего дельта высохшей реки в кратере Эберсвальде. Кроме того, к этим областям можно отнести другие участки поверхности Марса, такие как Великая северная равнина и равнины Эллада и Аргир.
- Обнаружение марсоходом «Оппортьюнити» гематита — минерала, который не может образоваться в отсутствие воды.
- Обнаружение марсоходом «Оппортьюнити» горного обнажения Эль-Капитан. Химический анализ слоистого камня показал содержание в нем минералов и солей, которые в земных условиях образуются во влажной теплой среде. Предполагается, что когда-то этот камень находился на дне марсианского моря.
- Обнаружение марсоходом «Оппортьюнити» камня «Эсперанс-6» ( Esperance 6), в результате исследования которого был сделан вывод, что несколько миллиардов лет назад этот камень находился в потоке воды. Причем эта вода была пресной и пригодной для существования в ней живых организмов.
Остается открытым вопрос, куда ушла большая часть жидкой воды с поверхности Марса.
Вода за пределами Солнечной системы
Большинство из более чем 450 обнаруженных внесолнечных планетных систем сильно отличаются от нашей, что позволяет считать нашу Солнечную систему принадлежащей к редкому типу. Задачей современных исследований является обнаружение планеты размером с Землю в обитаемой зоне своей планетной системы (зоне Златовласки).
Кроме того, океаны могут находиться и на крупных (размером с Землю) спутниках планет-гигантов. Хотя сам по себе вопрос существования столь крупных спутников является дискуссионным, телескоп Кеплера обладает достаточной чувствительностью, чтобы обнаружить их. Имеется мнение, что каменистые планеты, содержащие воду, сильно распространены по всему Млечному Пути.
Откуда появляется вода?
Водород почти так же стар, как сама Вселенная: его атомы появились, как только температура новорожденной Вселенной упала настолько, что смогли существовать протоны и электроны. С тех пор водород уже 14,5 млрд лет остается самым распространенным элементом Вселенной и по массе, и по числу атомов. Облака газа, состоящие в основном из водорода, заполняют весь космос.
В результате гравитационного коллапса облаков водорода и гелия появились первые звезды, внутри которых начался термоядерный синтез и образовались новые элементы, в том числе кислород. Кислород и водород дали воду; первые ее молекулы могли сформироваться сразу после появления первых звезд — 12,7 млрд лет назад. В форме очень рассеянного газа она заполняет межзвездное пространство, охлаждая его и таким образом приближая рождение новых звезд.
Вода, присутствовавшая в породившем звезду облаке газа, переходит в вещество протопланетного диска и объектов, которые формируются из него, – планет и астероидов. В конце жизни самые массивные звезды взрываются сверхновыми, оставляя после себя туманности, в которых вспыхивают новые звезды.
Как вода перемещается между небесными телами?
Новая гипотеза связывает наличие воды на Луне с действием «земного ветра» — потока частиц, выброшенных сюда магнитосферой нашей планеты.
Вода может появляться и непосредственно на Луне. Согласно одной из новых перспективных гипотез, протоны солнечного ветра достигают ее поверхности, не защищенной ни атмосферой, ни магнитосферой, как наша Земля. Здесь они взаимодействуют с оксидами в составе минералов, образуя новые молекулы воды и постоянно пополняя запас улетучивающейся в космос влаги.
Тогда в периоды, когда Луна оказывается ненадолго укрыта от солнечного ветра, количество воды на ее поверхности должно уменьшаться. Компьютерное моделирование предсказывает, что за несколько дней в районе полнолуния, когда спутник проходит сквозь длинный вытянутый «хвост» земной магнитосферы, содержание воды на высоких широтах должно падать очень заметно.
Этот процесс рассмотрели авторы новой статьи. С помощью данных, собранных японским окололунным зондом Kaguya, они регистрировали изменения в потоке солнечного ветра, «омывающего» спутник. А наблюдения индийского аппарата Chandrayaan-1 помогли оценить распределение воды в приполярных регионах. Однако результаты оказались довольно неожиданными: никаких существенных изменений в количестве льда в положенные дни не происходит.
Поэтому ученые выдвигают другую гипотезу происхождения воды на Луне, не связанную с эффектами солнечного ветра. Дело в том, что магнитосфера Земли также способна направлять протоны и поливать лунную поверхность не меньшим количеством частиц, чем солнечный ветер: хотя и далеко не так сильно ускоренными. Поток содержит и протоны, и ионы кислорода из верхних слоев земной атмосферы. Этого «земного ветра» может быть достаточно для образования новых молекул воды на Луне.
Ученые планируют продолжить свои исследования Луны с помощью более мощной техники, чтобы найти лучшие регионы для будущих исследований спутника, а также добычи полезных ископаемых.
Источник
