irmek
in
ru_universe
О чём рассказывают наши пустынные соседи?
Источники: The Conversation, SETI-CETI.ru
У наших двух ближайших соседей по Солнечной системе когда-то были океаны, подобные земным. Но водные планеты очень хрупкие. Венера имела неудачное строение, и она растеряла свои океаны в космос. И теперь мы там наблюдаем воплощение библейского ада. А теперь мы знаем, что и Марс когда-то не сумел удержать свои воды. Марс растерял в космос, по меньшей мере, 80% всей воды, которую когда-то имел.
А что с Землей? Как насчет нас? Что, несмотря на кажущееся изобилие воды, делает ее в будущем одним из самых драгоценных ресурсов на нашей планете? Сможем ли мы найти способ более бережного обращения с нашими запасами воды, чтобы не превратить Землю в такую же пустынную планету, как Венера и Марс? Если благодаря парниковому эффекту температура повысится на несколько градусов, то вследствие этого глобального потепления наша планета начнет терять воду. [Еще по теме читайте: Сколько всего воды на Земле?]
Вода на уровне атомов
Взглянем на это глазами планетологов. Практически всем нам еще из школьного курса химии известно, что H2O - это химическая формула воды. H - это атом водорода, O - атом кислорода, а цифра 2 под буквой H означает, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
Для начала рассмотрим структуру этих атомов более подробно. Водород - самый простой химический элемент во Вселенной, поскольку его ядро состоит из единственного положительно заряженного протона, вокруг которого вращается единственный отрицательно заряженный электрон. Однако ядро кроме протона может включать в себя один нейтрон, у которого нет заряда. И поэтому даже с дополнительным нейтроном заряд ядра будет равен +1. Следовательно, даже в таком виде это все еще атом водорода, но с одной существенной разницей: такой атом примерно в два раза тяжелее обычного атома водорода, благодаря массе дополнительного нейтрона.
Химики называют эту тяжелую разновидность водорода дейтерием и в формулах обозначают латинской буквой D. В химических реакциях дейтерий ведет себя точно так же, как и обычный водород. Просто он тяжелее. Еще раз взглянем на химическую формулу воды - H2O. Если на месте одного атома обычного водорода окажется атом дейтерия, то получится HDO. Это тоже вода, просто более тяжелая. Все вроде бы ничего, ведь химические свойства не изменились. Но не в нашем случае.
Тут вступает в силу закон Ньютона, который гласит, что атом дейтерия, имеющий большую массу, будет сильнее притягиваться к Земле, чем более легкий атом обычного водорода. И если в атмосфере окажутся свободные водород и дейтерий, то атомы обычного водорода поднимутся выше. А если гравитация планеты достаточно слаба - а это относится не только к Марсу и Венере, но и к Земле - обычный водород может просто улетучиться в космос, а дейтерий останется, благодаря большей массе.
Базовые соотношения в Солнечной системе
В 1995 году межпланетный зонд НАСА "Галилей" измерил соотношение водорода к дейтерию в атмосфере Юпитера и обнаружил, что это соотношение составляет примерно 40000/1. Юпитер настолько массивная планета, что ни дейтерий, ни водород не могут улетучиться в космос. Следовательно, считают планетологи, соотношение водорода и дейтерия в атмосфере Юпитера можно принять за базовое, и изначально на Земле, Венере и Марсе тоже должно было быть примерно такое же соотношение этих атомов, так как все планеты Солнечной системы сформировались в одном молекулярном облаке.
А теперь произведем несколько простых вычислений. Допустим, нам необходимо произвести 20000 молекул воды. Для этого нам потребуется 40000 атомов водорода, из которых согласно базовому соотношению, 39999 атомов обычного водорода (H) и 1 атом дейтерия (D). Ну и, конечно, 20000 атомов кислорода (O). В итоге мы бы получили 20000 молекул воды, из которых 19999 молекул H2O и одна молекула HDO. Еще раз подчеркнем: это если придерживаться базового соотношения 40000/1.
Реальные соотношения водорода к дейтерию
Если зачерпнуть стакан воды в любой части любого из океанов Земли, в любом пресноводном озере или реке, в любом леднике или горячем источнике, соотношение водорода к дейтерию будет 6250/1, а не 40000/1.
Почему же так мало? Этот факт свидетельствует о том, что Земля за свою историю потеряла большое количество водорода, но не дейтерия. Это может быть лишь в том случае, если атомы водорода улетучились в космос, и соотношение H к D упало с 40000/1 до 6250/1. На самом деле, возможно, Земля потеряла 80% от своей первоначальной популяции атомов водорода, а поскольку большинство атомов водорода на планете связаны в молекулах воды, это, вероятнее всего, говорит о потерях именно воды.
Еще в 1978 году космический зонд НАСА "Пионер" вошел в атмосферу Венеры и измерил ее свойства. Одним из шокирующих открытий тогда стало то, что соотношение водорода к дейтерию на Венере оказалось всего 62/1, то есть, в сто раз меньше, чем на Земле.
Это открытие ясно говорит о том, что Венера когда-то была влажной планетой, хотя сегодня представляет собой высохшую мумию. Как мы теперь знаем, температура на поверхности Венеры достигает 489C. На ней когда-то плескались океаны, но Венера разогрелась, и океаны с поверхности выкипели. И тогда ультрафиолетовая радиация Солнца расщепила молекулы воды, точнее, водяного пара, на составные атомы. В результате более легкие атомы водорода улетучились в космос, в то время как более тяжелые атомы дейтерия остались в гравитационной ловушке планеты. Соотношение водорода и дейтерия в атмосфере Венеры является решающим свидетельством того, что произошло миллиард или более лет назад на этой планете.
В своем исследовании, опубликованном в журнале Science весной этого (2015) года, ученые во главе с Л. Вильянуэва из Центра космических полетов им. Годдарда, используя мощные наземные телескопы, составили карту распределения воды (H2O) и ее дейтериевой разновидности (HDO) по поверхности Марса. Их исследование подтвердило результаты, полученные марсоходом "Curiosity" в 2013 году, показывающие, что соотношение водорода и дейтерия на Марсе примерно в 7 раз меньше, чем на Земле. Эти измерения также говорят о том, что Красная планета, как и Венера, потеряла много водорода, а стало быть, воды.
Общее количество воды, которое определено сегодня на Марсе (в ледяных шапках, в богатых льдом слоях реголита, приповерхностные отложения, атмосферная вода и т.п.), будучи в жидком состоянии образовало бы глобальный океан глубиной 21 метр. Измерения дейтерия говорят о том, что на Марсе когда-то было в семь раз больше воды. Этого было бы достаточно, чтобы образовать океан глубиной не менее 137 метров. Ясно одно, что Марс потерял, по меньшей мере, 85% воды. Это если взять за точку отсчета Землю, и считать, что Земля не теряла воды. А если принять за основу базовое соотношение 40000/1 и считать, что Земля потеряла 80% от своего первоначального количества воды, то получается, что Марс потерял 97% своей воды от изначального объема.
По пути Венеры и Марса?..
Венера и Марс… Планетологи знают, что обе планеты вначале были влажными, как и Земля. Они также знают, что ни Венера, ни Марс не смогли удержать воду достаточно долго, чтобы на них смогли развиться высшие формы жизни. Марс и Венера дают нам наглядный урок: водные миры очень хрупкие и тонкие. Что такие миры, которые смогли выжить вопреки разрушительным силам природы или физическому вреду, нанесенному их жителями, и могут поддерживать жизнь в долгосрочной перспективе - явление редкое и драгоценное.
Если мы позволим температуре нашей планеты подняться на градус или два, то еще сможем выжить, пережив небольшую экологическую катастрофу. А если повышение температуры перевалит за порог, после которого начинается необратимая цепная реакция глобального потепления? Мы знаем, как выглядит такой финал. Достаточно взглянуть на Венеру.
Венера и Марс: О чём они нам рассказывают?
У наших двух ближайших соседей по Солнечной системе когда-то были океаны, подобные земным. Но водные планеты очень хрупкие. Венера имела неудачное строение, и она растеряла свои океаны в космос. И теперь мы там наблюдаем воплощение библейского ада. А теперь мы знаем, что и Марс когда-то не сумел удержать свои воды. Марс растерял в космос, по меньшей мере, 80% всей воды, которую когда-то имел.
А что с Землей? Как насчет нас? Что, несмотря на кажущееся изобилие воды, делает ее в будущем одним из самых драгоценных ресурсов на нашей планете? Сможем ли мы найти способ более бережного обращения с нашими запасами воды, чтобы не превратить Землю в такую же пустынную планету, как Венера и Марс? Если благодаря парниковому эффекту температура повысится на несколько градусов, то вследствие этого глобального потепления наша планета начнет терять воду. [Еще по теме читайте: Сколько всего воды на Земле?]
Вода на уровне атомов
Взглянем на это глазами планетологов. Практически всем нам еще из школьного курса химии известно, что H2O - это химическая формула воды. H - это атом водорода, O - атом кислорода, а цифра 2 под буквой H означает, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
Для начала рассмотрим структуру этих атомов более подробно. Водород - самый простой химический элемент во Вселенной, поскольку его ядро состоит из единственного положительно заряженного протона, вокруг которого вращается единственный отрицательно заряженный электрон. Однако ядро кроме протона может включать в себя один нейтрон, у которого нет заряда. И поэтому даже с дополнительным нейтроном заряд ядра будет равен +1. Следовательно, даже в таком виде это все еще атом водорода, но с одной существенной разницей: такой атом примерно в два раза тяжелее обычного атома водорода, благодаря массе дополнительного нейтрона.
Химики называют эту тяжелую разновидность водорода дейтерием и в формулах обозначают латинской буквой D. В химических реакциях дейтерий ведет себя точно так же, как и обычный водород. Просто он тяжелее. Еще раз взглянем на химическую формулу воды - H2O. Если на месте одного атома обычного водорода окажется атом дейтерия, то получится HDO. Это тоже вода, просто более тяжелая. Все вроде бы ничего, ведь химические свойства не изменились. Но не в нашем случае.
Тут вступает в силу закон Ньютона, который гласит, что атом дейтерия, имеющий большую массу, будет сильнее притягиваться к Земле, чем более легкий атом обычного водорода. И если в атмосфере окажутся свободные водород и дейтерий, то атомы обычного водорода поднимутся выше. А если гравитация планеты достаточно слаба - а это относится не только к Марсу и Венере, но и к Земле - обычный водород может просто улетучиться в космос, а дейтерий останется, благодаря большей массе.
Базовые соотношения в Солнечной системе
В 1995 году межпланетный зонд НАСА "Галилей" измерил соотношение водорода к дейтерию в атмосфере Юпитера и обнаружил, что это соотношение составляет примерно 40000/1. Юпитер настолько массивная планета, что ни дейтерий, ни водород не могут улетучиться в космос. Следовательно, считают планетологи, соотношение водорода и дейтерия в атмосфере Юпитера можно принять за базовое, и изначально на Земле, Венере и Марсе тоже должно было быть примерно такое же соотношение этих атомов, так как все планеты Солнечной системы сформировались в одном молекулярном облаке.
А теперь произведем несколько простых вычислений. Допустим, нам необходимо произвести 20000 молекул воды. Для этого нам потребуется 40000 атомов водорода, из которых согласно базовому соотношению, 39999 атомов обычного водорода (H) и 1 атом дейтерия (D). Ну и, конечно, 20000 атомов кислорода (O). В итоге мы бы получили 20000 молекул воды, из которых 19999 молекул H2O и одна молекула HDO. Еще раз подчеркнем: это если придерживаться базового соотношения 40000/1.
Реальные соотношения водорода к дейтерию
Если зачерпнуть стакан воды в любой части любого из океанов Земли, в любом пресноводном озере или реке, в любом леднике или горячем источнике, соотношение водорода к дейтерию будет 6250/1, а не 40000/1.
Почему же так мало? Этот факт свидетельствует о том, что Земля за свою историю потеряла большое количество водорода, но не дейтерия. Это может быть лишь в том случае, если атомы водорода улетучились в космос, и соотношение H к D упало с 40000/1 до 6250/1. На самом деле, возможно, Земля потеряла 80% от своей первоначальной популяции атомов водорода, а поскольку большинство атомов водорода на планете связаны в молекулах воды, это, вероятнее всего, говорит о потерях именно воды.
Еще в 1978 году космический зонд НАСА "Пионер" вошел в атмосферу Венеры и измерил ее свойства. Одним из шокирующих открытий тогда стало то, что соотношение водорода к дейтерию на Венере оказалось всего 62/1, то есть, в сто раз меньше, чем на Земле.
Это открытие ясно говорит о том, что Венера когда-то была влажной планетой, хотя сегодня представляет собой высохшую мумию. Как мы теперь знаем, температура на поверхности Венеры достигает 489C. На ней когда-то плескались океаны, но Венера разогрелась, и океаны с поверхности выкипели. И тогда ультрафиолетовая радиация Солнца расщепила молекулы воды, точнее, водяного пара, на составные атомы. В результате более легкие атомы водорода улетучились в космос, в то время как более тяжелые атомы дейтерия остались в гравитационной ловушке планеты. Соотношение водорода и дейтерия в атмосфере Венеры является решающим свидетельством того, что произошло миллиард или более лет назад на этой планете.
В своем исследовании, опубликованном в журнале Science весной этого (2015) года, ученые во главе с Л. Вильянуэва из Центра космических полетов им. Годдарда, используя мощные наземные телескопы, составили карту распределения воды (H2O) и ее дейтериевой разновидности (HDO) по поверхности Марса. Их исследование подтвердило результаты, полученные марсоходом "Curiosity" в 2013 году, показывающие, что соотношение водорода и дейтерия на Марсе примерно в 7 раз меньше, чем на Земле. Эти измерения также говорят о том, что Красная планета, как и Венера, потеряла много водорода, а стало быть, воды.
Общее количество воды, которое определено сегодня на Марсе (в ледяных шапках, в богатых льдом слоях реголита, приповерхностные отложения, атмосферная вода и т.п.), будучи в жидком состоянии образовало бы глобальный океан глубиной 21 метр. Измерения дейтерия говорят о том, что на Марсе когда-то было в семь раз больше воды. Этого было бы достаточно, чтобы образовать океан глубиной не менее 137 метров. Ясно одно, что Марс потерял, по меньшей мере, 85% воды. Это если взять за точку отсчета Землю, и считать, что Земля не теряла воды. А если принять за основу базовое соотношение 40000/1 и считать, что Земля потеряла 80% от своего первоначального количества воды, то получается, что Марс потерял 97% своей воды от изначального объема.
По пути Венеры и Марса?..
Венера и Марс… Планетологи знают, что обе планеты вначале были влажными, как и Земля. Они также знают, что ни Венера, ни Марс не смогли удержать воду достаточно долго, чтобы на них смогли развиться высшие формы жизни. Марс и Венера дают нам наглядный урок: водные миры очень хрупкие и тонкие. Что такие миры, которые смогли выжить вопреки разрушительным силам природы или физическому вреду, нанесенному их жителями, и могут поддерживать жизнь в долгосрочной перспективе - явление редкое и драгоценное.
Если мы позволим температуре нашей планеты подняться на градус или два, то еще сможем выжить, пережив небольшую экологическую катастрофу. А если повышение температуры перевалит за порог, после которого начинается необратимая цепная реакция глобального потепления? Мы знаем, как выглядит такой финал. Достаточно взглянуть на Венеру.
Венера и Марс: О чём они нам рассказывают?