Новости
Внеземные океаны: от Венеры до Сатурна. Интервью с м.н.с. АКЦ ФИАН Вячеславом Авдеевым
Исчезающие острова, круговорот метана в природе и снег, идущий вверх, ― это лишь малая часть редких природных явлений, которые есть в нашей Солнечной системе.
О самых необычных внеземных океанах и поисках воды на ближайших планетах и их спутниках рассказывает младший научный сотрудник Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) Вячеслав Авдеев.
Вячеслав Юрьевич Авдеев ― младший научный сотрудник Астрокосмического центра ФИАН (Лаборатория математических методов обработки), популяризатор науки, автор ютуб-канала «Улица Шкловского».
― Поговорим сначала о наших ближайших соседях Венере и Марсе. На этих планетах когда-то существовали океаны?
― И на Венере, и на Марсе некогда было много воды. На Марсе еще в 1971 г. были обнаружены следы русел древних рек. Возможно, реки текли по поверхности Марса на протяжении тысяч или даже миллионов лет. Сейчас, конечно, никаких рек там нет. Кроме того, на Марсе найдены и дельты рек ― области, в которых древняя река впадала в более крупный водоем, возможно, озеро, море или океан. Но это еще не все. Около 4 млрд лет назад на Марсе, скорее всего, существовал огромный соленый океан! Он располагался в северном полушарии планеты и по объему воды лишь немногим уступал нашему Северному Ледовитому океану. Учитывая сравнительно небольшие размеры Красной планеты, это был отнюдь не маленький водоем. Однако около 3,5 млрд лет назад Марс начал терять атмосферу, климат стал более холодным, вода начала частично испаряться, частично замерзать, и планета постепенно стала такой, какой мы ее знаем. О том, когда именно Марс потерял свою атмосферу, можно говорить лишь приблизительно, есть разные датировки.
― Правда ли, что под марсианскими песками может находиться водяной лед?
― Да. И особенно интересно, возвращаясь к деталям рельефа, что на Марсе были найдены даже следы цунами! Видимо, когда на планету падали метеориты, вода поднималась, обрушивалась на побережье, а затем отступала. Так, в числе прочих однажды были найдены следы двух цунами, которые разразились, когда климат на Марсе уже стал намного холоднее, и разошлись разными путями: одна волна цунами сошла, а другая не успела ― вода замерзла и на том месте образовались скопления льда, которые и наблюдали ученые. Сейчас, изучая Марс с орбиты и пытаясь прозондировать его грунт, мы замечаем, что под красными песками Марса находится так называемая криосфера ― большой запас соленой воды. В некоторых регионах Марса содержание в грунте этой замерзшей воды достигает 35%. Если зачерпнуть марсианский грунт ковшом, то мы обнаружим, что этот грунт есть не что иное, как влажный песок.
― На какой глубине находится марсианский лед?
― Глубина на самом деле очень невелика. Копнув буквально раз-другой, можно будет увидеть этот лед. Его можно заметить также, когда на планету падают метеориты. Важно еще и то, что лед на Марсе распределен неравномерно: ближе к полюсам льда становится больше, а на экваторе ― меньше.
В целом можно сказать, что вода на Марсе есть и ее хватит даже для колонизации планеты. Но возникает другая проблема: где взять атмосферу? Та известная схема, которую предлагал Илон Маск, ― взрывать бомбы, чтобы растопить полярные шапки Марса, ― мне представляется малоэффективной: не хватит мощности бомб и запасов летучих веществ в полярных шапках Марса. Вероятно, атмосферу на Марс придется завозить извне, например из комет.
― А что насчет Венеры, которую называют сестрой Земли?
― В отличие от Марса о Венере известно крайне мало. Мы знаем, что поверхность этой планеты очень молода: около 500–700 млн лет назад она почти полностью обновилась. В это время поверхность Венеры была залита лавой, которая, естественно, потом застыла, поэтому говорить о древней Венере сложно. Как известно, ранее на поверхность планеты уже садились советские аппараты, но, к сожалению, проработали они совсем недолго: максимум полтора часа. Да, были получены хорошие изображения, была измерена плотность грунта, удалось даже немного пробурить его, но, увы, этого времени оказалось недостаточно, чтобы провести полноценные исследования.
Изображение атмосферы Венеры в ближней инфракрасной области (2,3 мкм), полученное зондом Galileo.
Источник фото: NASA/JPL, Общественное достояние, WikiMedia
Изучая состав атмосферы Венеры, ученые сравнили соотношение изотопа водорода к дейтерию, то есть к тяжелому водороду. Оказалось, что это соотношение сильно отличается от того, что мы имеем на Земле. Наша планета и Венера ― родственники: они образовались из одного газопылевого облака и, по идее, состав изотопной воды у этих двух планет должен быть схожим, но в реальности это не так. Ученые стали думать: а как объяснить эту разницу в соотношении изотопов, каков был сценарий развития? На Венере была вода, но из-за разогрева планеты моря начали выкипать. Когда эти молекулы воды поднимались выше, солнечный ультрафиолет разбивал их на кислород и на водород. Кислород мог потом соединиться с какими-то венерианскими породами, а водород, будучи очень легким, мог под воздействием солнечного ветра и температуры диссипировать (рассеяться. ― Примеч. ред.) в космос. Венера быстрее теряла обычный водород и медленнее ― тяжелый. Это дало возможность оценить объем потерянной воды, основываясь на предположении, что начальное изотопное соотношение было таким же, как на Земле. Исходя из этих данных, ученые провели исследования, и оказалось, что 60% поверхности Венеры могло быть покрыто океанами.
Океан Венеры в глубину мог быть с пятиэтажный дом. Это как раз то, что нужно для удобства проживания: неглубокий теплый океан куда предпочтительнее глубоких и холодных вод. Морские организмы, как известно, любят очень теплые и мелкие водоемы. Но все эти рассуждения о венерианских океанах пока остаются на уровне гипотез. Было бы хорошо проверить наши предположения, опустив на поверхность Венеры космические аппараты, которые могли бы подольше поработать на венерианских тессерах (детали рельефа Венеры, напоминающие паркет или черепицу. ― Примеч. ред.). Тессеры иногда ошибочно называют материками, но на самом деле это области Венеры, считающиеся более древними, чем участки, покрытые лавой.
Существование древнего океана на Венере вполне возможно, но, как я уже упоминал, нужны дальнейшие исследования этого вопроса. Кстати, если бы та древняя Венера вращалась так, как вращается сейчас, то весь ее океан не выкипел бы. Известно, что парниковый эффект на Венере ― самоподдерживающийся, он усиливает сам себя. Тем не менее если на Венеру закачать атмосферу вроде нашей, то этот парниковый эффект не начнется, потому что Венера будет очень активно прогреваться на солнечной стороне, а на ночной ― интенсивно отдавать тепло.
Это связано с тем, что период обращения Венеры вокруг своей оси составляет 243 дня, то есть она делает оборот очень медленно. Используя климатические модели, ученые подсчитали, что нужно сделать с Венерой, чтобы запустить самоподдерживающийся парниковый эффект. Выяснилось, что для этого планета должна вращаться гораздо быстрее: сутки должны длиться менее 20 земных дней. Сейчас же Венера вращается медленнее. Главный вопрос на сегодня ― что же все-таки произошло с Венерой: почему ее поверхность была покрыта лавой, почему эта планета вращается в обратном направлении, да еще и так медленно? Я надеюсь, что ответы смогут дать космические миссии будущего.
― Ближе всех к Солнцу находится Меркурий, и, наверное, говорить о наличии там воды в принципе бессмысленно?
― Меркурий расположен ближе всего к Солнцу, но он тем не менее прохладнее, чем Венера, потому что у него нет атмосферы и парникового эффекта. Сутки на этой планете длятся очень долго, 59 земных дней, при этом Солнце освещает Меркурий со всех сторон. Орбита Меркурия сильно вытянута, что в сочетании с медленным вращением планеты вокруг своей оси приводит к очень интересным эффектам. Например, если бы мы встречали рассвет на Меркурии, то увидели бы не один восход Солнца, как на Земле, а несколько! Это значит, что Солнце сначала восходит, затем опускается и снова поднимается ― и так несколько раз. Кстати, на Меркурии есть области, практически не освещающиеся нашей звездой, ― это глубокие кратеры в полярных областях, где с помощью дистанционных измерений были обнаружены запасы водяного льда. На океан это, конечно, не тянет. Вода на Меркурии никогда не была жидкой и в принципе быть не может, потому что у этой планеты нет (и никогда не было) атмосферы. Солнце находится очень близко к Меркурию, оно слишком горячее и солнечный ветер оказывает сильнейшее влияние на эту маленькую планету.
На Меркурии можно наблюдать тройной восход и закат Солнца. Источник фото: фотобанк 123RF.
― Вода в Солнечной системе ― это распространенное явление?
― Это не редкость, ведь вода ― очень простая молекула: она состоит из кислорода, которого полно во Вселенной, и водорода ― самого распространенного элемента. Вода наблюдается на планетах и их спутниках, и в межзвездных облаках, и на кометах, и даже вокруг звезд ― как молодых, так и умирающих.
Изучением воды в Солнечной системе в частности занимается космический аппарат NASA James Webb и будет заниматься проект ФИАН «Миллиметрон». «Миллиметрон» будет изучать распределение воды в протопланетных дисках. Такие исследования очень важны, потому что от этого распределения воды зависит то, какая планета получится в итоге.
Примечательно, что чем дальше мы уходим от Солнца, тем больше воды наблюдаем. Примером тому могут служить спутники Юпитера. Пожалуй, самый известный из них ― Европа, ледяной шар чуть меньше нашей Луны. Видимо, подо льдом Европы находится жидкий океан, который не замерзает в силу нескольких причин: орбита Европы слегка вытянута, а ось наклонена, поэтому из-за приливных воздействий со стороны Юпитера выделяется тепло; кроме того, и в самой воде могут быть растворены какие-то вещества, помогающие океану не замерзать.
― Каким может быть состав этой воды?
― Молекулы воды везде одинаковы ― это кислород и водород, но важно еще то, какие примеси есть в этой воде, в данном случае ― в соленом океане Европы. Этот вопрос еще предстоит изучить.
В 2018 г. в журнале Nature была опубликована статья о том, что на Энцеладе обнаружены сложные органические соединения. В этом же году ученые из Вены в своей лаборатории воссоздали условия, аналогичные условиям на этой ледяной луне Сатурна. На примере архей Methanothermococcus okinawensis было показано, что земные организмы вполне способны выжить на Энцеладе. Источник фото: фотобанк 123RF.
Слой льда Европы ― около 30 км, под ним ― до 100 км воды, а далее уже начинается силикатное ядро. Чтобы изучить воду Европы, эти 30 км льда нужно как-то пробурить. Была идея, например, вскрыть этот лед с помощью взрыва, но на Земле нет столь мощной водородной бомбы. Даже если взорвать все бомбы, имеющиеся на Земле, то, скорее всего, дыру в этом слое льда мы не проделаем. Есть и другой, более гуманный путь ― изучать состав гейзеров, которые периодически появляются на Европе: то есть бурить лед не нужно, достаточно пролететь через гейзер, собрать воду и посмотреть, из чего она состоит. Так, зонд Cassini, например, много раз пролетал через ледяные шлейфы Энцелада (спутника Сатурна) и смог изучить, пусть и не очень подробно, состав воды. Оказалось, что в этой воде содержится какая-то простая органика. Очевидно, что океан Энцелада взаимодействует с недрами планеты и что он богат химией. Но для более детального изучения нужно привлекать более мощную технику. Что касается Европы, то на ее исследование будут направлены как минимум два проекта 2023 г.: зонд NASA Europa Clipper и зонд Европейского космического агентства под названием JUICE. Зонд JUICE сначала будет вращаться вокруг Юпитера и дважды сблизится с Европой, а затем перейдет на орбиту вокруг самого крупного спутника в Солнечной системе ― Ганимеда.
― В плане изучения воды Ганимед не менее интересен, чем предыдущие объекты Солнечной системы.
― Да. Подозревают, что у Ганимеда тоже есть океан, причем очень необычный. Модели показывают, что океан Ганимеда похож на слоеный пирог: верхний слой льда, под ним ― слой воды, дальше снова начинается лед, но уже с другой структурой (он возникает при больших давлениях), потом снова слой воды, уже более соленой, затем слой так называемого горячего льда, за ним идет слой воды и в конце ― последний слой льда, который, возможно, граничит с силикатной частью спутника.
В верхнем слое, в самом первом океане Ганимеда, есть такое явление, как антиснег, или снег, идущий вверх. Представьте, что мы плывем на подводной лодке в верхнем океане Ганимеда. Вода в этом слое океана иногда начинает замерзать, однако получившиеся льдинки ― менее плотные, чем окружающий их соленый раствор воды, и из-за этого они поднимаются наверх, медленно дрейфуют и оседают в верхнем ледяном слое. Правда, пока непонятно, насколько устойчивы все эти слои льда Ганимеда, могут ли они сообщаться между собой, трескаться и т.д.
Спутник Юпитера Ганимед похож на слоеный пирог. Источник иллюстрации: NASA/JPL-Caltech.
― Давайте напоследок вспомним еще один необычный объект в нашей Солнечной системе ― спутник Сатурна Титан. Когда я впервые увидела снимки с поверхности этого небесного тела, то была очень удивлена тем, что пейзажи Титана похожи на земные. Те же побережья, обтесанные водой камни, реки…
― Ученые исследуют Титан с 1655 г., но только в 2004 г., когда в систему Сатурна прилетел зонд Cassini — Huygens, мы впервые увидели снимки с поверхности этого необычного спутника. Спускаемый аппарат Huygens был специально создан для изучения Титана. Во время миссии возникли какие-то проблемы с программным кодом, поэтому аппарат передал только часть информации, но даже она оказалась очень ценной. Что же интересного мы там обнаружили? Например, влажный песок, как на Земле, только основа этого песка — не силикаты, а довольно твердый водяной лед. Мы увидели окатанные камешки, похожие на речную гальку, а также русла рек, озера и моря, в которых плещутся жидкие углеводороды: метан, этан и т.п. 
Пейзажи Титана. Фото: NASA.
Титан действительно интересен. Чего только стоят дожди на этом спутнике Сатурна! Тяготение на Титане в семь раз меньше, чем на Земле, а атмосфера ― в полтора раза плотнее, поэтому дожди на Титане представляют собой крупные капли, которые очень и очень медленно опускаются вниз, стекая в ручьи, реки и моря. Таким образом, мы можем наблюдать здесь круговорот жидкости в природе. Только жидкость на Титане — не вода, а метан, тот самый газ, который горит у нас в печах. При температуре −180° C он становится жидким. А еще на Титане есть горы, причем основа скальных пород ― водяной лед, под которым находится слой воды, а затем уже силикаты. Подо льдами Титана есть океан жидкой воды, но не думаю, что там есть жизнь.
― Может, под воду уходит?
― Может, и так. Пока неизвестно. Было даже предположение, что океаны Титана по своим свойствам похожи на газировку. Когда мы бросаем что-то в газированную воду, она начинает шипеть. То же самое может происходить и на Титане, где, по одной из версий, каким-то образом нарушается равновесие и из жидкости начинает выделяться азот, появляясь на поверхности спутника в виде пузырей, похожих на острова. Затем эти пузыри лопаются и мы не видим островов. Это отнюдь не единственная гипотеза. Нам еще предстоит изучить исчезающие острова Титана. На это в том числе нацелен проект NASA Dragonfly, который будет запущен в 2030-х гг. Так что впереди немало работы, и я надеюсь, что в ближайшие годы мы сможем узнать много нового о воде в нашей Солнечной системе.
Автор Янина Хужина
Фотограф Андрей Луфт
Оператор Алексей Корноухов
