[Перевод] 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].
ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы; почему возраст Вселенной не совпадает с радиусом наблюдаемой её части
