Земля уникальна: возможно, жизнь на других планетах быстро погибла

«Загадка того, почему мы еще не нашли признаков инопланетян, может быть не столько связана с вероятностью возникновения жизни или интеллекта, сколько с редкостью быстрого возникновения биологической регуляции циклов обратной связи на планетарных поверхностях», говорит Адитья Чопра из Австралийского национального университета. «Первая жизнь хрупкая, поэтому мы считаем, что она редко развивается достаточно быстро, чтобы выжить».

Как появилась жизнь?

Если кратко, жизнь на других планетах, вероятно, будет очень короткоживущей и исчезнет очень быстро, полагают астробиологи из Австралийского национального университета. В исследовании, направленном на то, чтобы понять, как может развиваться жизнь, ученые поняли, что новая жизнь обычно вымирает из-за нарастающего потепления или охлаждения собственной планеты. Ответ группа ученых нашла в так называемой «теории Геи» Джеймса Лавлока.

В 1970-х годах химик Лавлок и биолог Линн Маргулис разработали идею того, что наша Земля может быть похожа на живой организм, саморегулирующуюся сущность, которая использует петли обратной связи, чтобы поддерживать условия, подходящие для жизни. Они окрестили потенциально живую планету Геей — в честь греческой богини Земли.

Поиск «других земель» во многих отношениях является поиском «других Гей», и планы NASA по обнаружению других планет, похожих на Землю, очень сильно зависят от понимания отношений между жизнью и Вселенной, разработанных Лавлоком в контексте теории Геи.

Жизнь захватила Землю с почти неудержимой спешкой. Когда Земля была молодой, на нее падали обломки, оставшиеся от образования Солнечной системы, создавая экстремальную среду, в которой жизнь могла и не удержаться надолго. Это продолжалось в течение 600 миллионов лет после образования Солнечной системы. Однако у нас есть свидетельства того, что как только бомбардировка закончилась, началась жизнь.

По мнению Джона Гриббина, автора книги ‘Alone in the Universe’, орбита Земли расположена в чрезвычайно удачном месте Солнечной системы с точки зрения перспектив развития интеллекта. Но ситуация не такая очевидная, какой кажется на первый взгляд. Присутствие жизни на Земле играет роль в регулировании нашей планеты через парниковый эффект. Таким газы, как углекислый, нагревают поверхность Земли, задерживая тепло, которое в противном случае могло бы уйти в космос.

Сегодня этот естественный парниковый эффект делает Землю на 33 градуса теплее, чем поверхность безвоздушной Луны, хотя Земля и Луна находятся практически на одинаковом расстоянии от Солнца. Когда Земля впервые сформировалась, пишет Гриббин, атмосфера была богатой такими парниковыми газами и не давала планете замерзнуть, хотя Солнце было холоднее. По мере того, как Солнце нагревалось и на Земле появилась жизнь, живые существа вытягивали углекислый газ из воздуха и откладывали в виде карбонатных пород, уменьшая силу парникового эффекта. Жизнь меняет количество углекислого газа в воздухе, благодаря процессам обратной связи, которые поддерживают тепло на планете, когда Солнце остывает, и предотвращает ее перегрев при нагревании.

Это основа теории Геи, разработанной Джеймсом Лавлоком, которая дает нам пространство для поиска жизни за пределами Солнечной системы. Главный вопрос Лавлока был таков: что делает Землю особенной? «Воздух, которым мы дышим, может быть лишь артефактом, который поддерживается в устойчивом состоянии далекими от химического равновесия биологическими процессами. Живые существа должны регулировать состав атмосферы не только сегодня, но и на протяжении всей истории жизни на Земле — буквально на протяжении миллиардов лет».

Но тогда возникает загадка: почему парниковый эффект не пустился во все тяжкие, когда Солнце разогрелось, почему не произошло то же, что случилось с Венерой? Ответ, по мнению Лавлока, заключается в том, что жизнь регулирует состав атмосферы, постепенно удаляя углекислый газ при нагревании Солнца, поддерживая температуру на Земле комфортной для жизни.

Ученые Австралийского национального университета считают, что причина, по которой мы не нашли признаков продвинутой технологической жизни, может заключаться в том, что все пришельцы вымерли. «Вымирание — это космический порядок для большей части жизни, которая когда-либо появлялась», пишут авторы исследования.

«Вероятно, Вселенная полна потенциально обитаемых планет, поэтому многие ученые считают, что они должны кишеть инопланетянами», говорит Чопра. «Большинство ранних планетарных сред нестабильны. Чтобы создать обитаемую планету, жизненные формы должны регулировать парниковые газы, такие как вода и углекислый газ, для поддержания стабильной температуры поверхности».

Около четырех миллиардов лет назад Земля, Венера и Марс, могли быть обитаемы. Однако через миллиард лет после образования Венера превратилась в теплицу, а Марс замерз во льдах.

Ранняя микробная жизнь на Венере и Марсе, если таковая была, не смогла стабилизировать быстро меняющуюся среду, говорит соавтор работы Чарли Лайнвивер из Института планетологии АНУ. «Жизнь на Земле, вероятно, сыграла ведущую роль в стабилизации климата планеты».

Влажные, твердые планеты с ингредиентами и источниками энергии, необходимыми для жизни, кажутся повсеместными, однако, как отметил физик Энрико Ферми в 1950 году, никаких признаков выживания внеземной жизни обнаружено не было.

Вероятным решением парадокса Ферми, говорят ученые, будет почти всеобщее раннее вымирание, которое они окрестили «бутылочным горлышком Геи» (так называют любое узкое место). «Одно любопытное предсказание бутылочного горлышка Геи состоит в том, что подавляющее большинство окаменелостей во Вселенной будет состоять из вымершей микробной жизни, а не из многоклеточных видов, таких как динозавры или гуманоиды, для развития которых требуются миллиарды лет», говорит Лайнвивер.

«Может ли планета, в некотором смысле, быть живой?», задается вопросом астробиолог NASA Дэвид Гринспун. Он уже не первый раз выдвигает такую концепцию. В своей книге 2003 года ‘Lonely Planets’ Гринспун представил гипотезу «живого мира», небольшой вариации хорошо известной гипотезы Геи.

С тех пор эта идея достаточно живо обсуждалась, однако больше считалась философской, чем научной. Тем не менее, многие исследователи сходятся во мнении, что эта концепция помогла науке о системе Земле продвинуться вперед, позволила нам понять, что многие циклы Земли — водные, азотные и углеродные циклы; тектоника плит; климат — глубоко взаимосвязаны и модулируют, либо модулируются жизнью на Земле.

«Гея может быть просто хорошей метафорой», говорит Гринспун. «Но мне интересно, можно ли считать жизнь чем-то, что не просто произошло на нашей планете, а тем, что происходит с нашей планетой».

«Не так-то и легко разделить живую и неживую части Земли», добавляет он. «Жизнь сделала Землю такой, какая она есть, в значительной степени. Это общий смысл гипотезы Геи, а гипотеза Живых миров просто переносит эту идею на другие планеты».

«Идея происхождения жизни, отделенная от рождения живого мира, имеет интересные последствия для жизни в других местах», пишет Гринспун. «Если саморегулирование Геи отвечает за долголетие Земли, то нам нужно найти другие места, где развился этот глобальный организм, а не просто места, где когда-то могла возникнуть жизнь».

Иными словами, наш поиск жизни должен быть нацелен на места с активными геологическими и метеорологическими циклами, потенциально сигнализирующими о живой биосфере.

К нынешнему моменту мы нашли почти 2000 планет, вращающихся вокруг далеких звезд, и продолжаем находить новые. Хотя эти миры могут оказаться слишком далекими для нас, чтобы найти какие-либо прямые доказательства жизни в ближайшем будущем, ученые становятся все более опытными в определении состава их атмосфер. Возможно, однажды этот навык позволит нам провести различие между «неудавшейся биосферой» и потенциально живыми мирами.

Зачем в водохранилище Лос-Анджелеса высыпали 96 миллионов черных шаров?

На днях департамент водо- и энергоснабжения Лос-Анджелеса (Los Angeles Department Water & Power — LADWP) подогнал к одному из местных водохранилищ несколько больших грузовиков заполненных 96 000 000 (девяносто шестью миллионами) пластиковых черных шаров. Оказавшись на водной глади, издалека они выглядят на нефтяное пятно, но на самом деле выполняют очень полезную функцию. И несмотря на весьма распространенное мнение о том, что эти шарики используются для снижения уровня испарения пресной воды из водохранилищ, предназначены они совсем для другой цели. Так зачем же они?

LADWP по долгу службы озабоченный качеством питьевой воды в мегаполисе использует их для предотвращения появления в питьевой воде опасных канцерогенных (могут провоцировать развитие рака) соединений – броматов. Повышение концентрации этих веществ в воде объясняется тремя факторами: наличием бромидов, которые естественным образом присутствуют в грунтовых водах, хлора, применяемого для обеззараживания воды, и солнечного света. Именно яркое калифорнийское солнышко играет с водохранилищами такую злую шутку: запускает реакции синтеза броматов. Потому специалисты и предложили закрыть воду от света.

Использование гибкого сплошного покрытия было бы слишком дорогим, а металлическая крыша еще и потребовала бы много времени для монтажа. Идея использовать черные шары Bird Ball («Птичьи шары») пришла биологу LADWP Брайану Уайту еще много лет назад. И с тех пор LADWP использует только их.

Сами шары выполнены из полиэтилена пищевого уровня и высокой плотности с добавками, имеют размер 10 сантиметров и заполнены 210 миллилитрами воды. Раньше воду не использовали, однако в Лос-Анджелесе бывают довольно сильные ветра, поэтому чтобы шарики не сдувались с водной поверхности (раньше они весили всего 40 граммов) их решили частично наполнять водой. Они не боятся нагрева до 80 градусов по Цельсию, не страшатся мороза. И солнечный свет не вызывает деградацию составляющего шарики полимера. Черные, потому что так они блокируют весь солнечный свет, который запускает химическую реакцию образования броматов. Кроме того, они используют специальный черный краситель, который считается безопасным для контакта с питьевой водой. Благодаря такому сочетанию шары можно многократно использовать под прямым воздействием солнечного света в течение как минимум 10 лет.

Производят шарики несколько компаний в разных вариациях. «Птичьими» же их называют потому, что применяют их для закрытия поверхности водоемов и заболоченных мест, расположенных вблизи аэропортов. Накрытые такими шарами водоемы птиц не интересуют. Пернатые просто не видят замаскированные озера с воздуха. А значит — небеса в окрестностях взлетных полос оказываются более свободными.

Еще одна полезная функция шаров заключается в том, что они резко снижают насыщение воды кислородом, подавляя размножение водорослей. Еще шарики способны на несколько градусов понизить точку начала образования льда в открытом пруду зимой. И они же существенно сокращают потерю водоемом тепла.

Ученые вернули колыбель земной жизни из океана в пруд

Новые расчеты показывают, что энергии грозовых штормов недостаточно для того, чтобы «прокормить» жизнь в толще океана. Группа астрофизиков и планетологов привела доказательства того, что условия для зарождения жизни возникли все-таки в мелких прудах, а не в толще океана. К этому выводу они пришли, пересчитав баланс азотсодерджащих веществ, необходимых для зарождения и существования жизни.

Азот — один из химических элементов, критически необходимых живым существам, как и углерод, кислород и фосфор. Азот входит в состав всех структурных единиц белков — аминокислот и, как видно из их названия, азотистых оснований, из которых состоят нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК. Кроме того, азот играет роль акцептора электронов в микробном метаболизме, и без него этим живым организмам не обойтись.

Источник азота на Земле — атмосфера. К сожалению, в атмосфере он находится в виде N2, практически инертного газа, который бесполезен почти для всех живых существ. Только азотфиксирующие бактерии умеют переводить азот из летучего вида в форму более земную — оксиды, доступные для растений, а из них уже его получают и животные. Но на заре зарождения жизни никаких бактерий не было и забирать азот из атмосферы было некому.

Считается, что самый эффективный путь фиксации азота без участия бактерий — молнии. Разряды электричества разбивают молекулу N2 на радикалы, которые уже вступают в реакцию с кислородом с образованием нитрат- и нитрит-ионов, NO3−  и NO2− соответственно. Поэтому, судя по всему, именно благодаря молниям в древних водоемах Земли появились нитраты и нитриты, которые и стали залогом появления жизни около 3,7 миллиарда лет назад. Если молнии делают нитраты и нитриты, то разрушают эти соединения ультрафиолет и железо (II). Под их действием азот снова выводится из состава «заземленных» веществ

Ранее считалось, что жизнь появилась в мелких теплых прудах, где много света, кислорода и тепла для протекания химических реакций. Тем не менее недавнее исследование ученых из Стэнфордского университета показало, что для зарождения жизни, как ни странно, лучше подходили холодные и темные глубины океанов — там кислород легче усваивается, а на глубине колебания условий гораздо слабее, чем на мелководье.

Новое исследование ученых из Массачусетского технологического института возвращает мелким прудам право на титул колыбели жизни. Авторы статьи, вышедшей в журнале Geochemistry, Geophysics, Geosystems, рассчитали не только количество азота, которое производят молнии, но и его убыль из-за ультрафиолета и железа.

Оказалось, что в океанах УФ-облучение и реакции с железом не позволили бы азотсодержащим соединениям накопиться сколько-нибудь значительно — более 1 микромоля на литр (это значение сейчас считается пороговым для возникновения жизни). Ультрафиолет и сейчас возвращает азот в атмосферу, но его высокий уровень (40 микромоль на литр) поддерживается благодаря воде, которая поднимается со дна, где живут бактерии, фиксирующие его. Миллиарды лет назад его запасы восполняли только молнии, так что его содержание не поднималось выше мизерного. К тому же в океанах растворено железо, которое тоже сводит фиксацию азота на нет.

По мнению авторов статьи, ситуация была лучше в мелких водоемах вроде озер или прудов. У них маленькая поверхность, в то же время большая площадь стока, то есть территории, с которой реки, ручьи и подземные источники несут воду в пруд. Фактор железа здесь может потерять свое значение, так как в прудах гораздо меньше содержание минералов и железа в том числе. В то же время из-за большего, чем у океанов, отношения площади стока к площади поверхности азотсодержащие вещества накапливаются в большем количестве, и УФ-облучение уже не так быстро снижает их концентрацию. По расчетам ученых, в таких прудах концентрация NO3−  и NO2− ионов должна быть не меньше 1 микромоля на литр, а то и больше.

В качестве примера ученые приводят озеро Дон Жуан в Антарктиде. Оно примерно 100 метров в поперечнике и 10 сантиметров глубиной. В озере никто не живет, и тем не менее содержание азотсодержащих веществ там весьма велико — аж 6 миллимолей на литр. Возможно, примерно в таких озерцах и зародилась жизнь.

Впрочем, по словам одного из авторов работы, говорить «Ага!» еще рано. Результаты исследования дают лишь еще один довод в пользу преимущества прудов над океанами в борьбе за первенство среди мест, где появилась жизнь.

Источник: chrdk.ru

Материя, находящаяся в неизвестном ранее состоянии, может быть твердой и жидкой одновременно

В окружающем нас мире материя может находиться в самых различных состояниях. Большинству из людей известны лишь три основных состояния материи — твердое тело, жидкость и газ. Но недавно ученые обнаружили, что при определенных условиях материя может находиться в экзотическом состоянии, в котором она является твердой и жидкой одновременно. В качестве экстремальных условий в экспериментах ученые использовали чрезвычайно высокие давление и температуру, а в качестве образца материи, которая перешла в «двойственное» состояние, выступал кусочек металлического калия.
«Материя в этом состоянии походит на губку, полости которой заполнены водой. Кроме этого, тело самой губки также состоит из воды, находящейся в другом агрегатном состоянии» — пишет Андреас Герман (Andreas Hermann), ученый-физик из Эдинбургского университета.

Калий является довольно простым элементом, он имеет четкую базовую кристаллическую структуру, когда этот материал находится в твердой форме. Но когда этот материал попадает под воздействие чрезвычайных условий, с ним происходят достаточно странные превращения. В условиях высокого давления атомы калия реорганизуются и структура кристаллической решетки усложняется. Ячейка решетки приобретает квадратную форму, с четырьмя атомами калия по углам и одним по центру квадрата. Четыре атома, находящиеся в углах, связаны друг с другом при помощи четырех связей.
Когда температура калия, уже находящегося под воздействием высокого давления, начинает подниматься и доходит до некоторого значения, связи, удерживающие кристаллическую решетку, исчезают. Но атомы калия, по-прежнему, продолжают «держать строй», прежде чем кануть в пучину хаоса жидкого состояния. Пытаясь выяснить, почему все это происходит, ученые использовали сложнейшие модели, описывающие поведение 20 тысяч атомов калия при чрезвычайных условиях.

Когда давление достигло значения от 2 до 4 Гигапаскалей, атомы калия сформировали кристаллическую решетку, тип которой был описан чуть выше. Химические связи между атомами, при этом, достаточно сильны и материал продолжает оставаться твердым телом до повышения температуры до 800 Кельвинов. Но потом химические связи начинают «таять» и материал постепенно переходит в хаотическое жидкое состояние, проходя через промежуточное твердо-жидкое состояние.

Дальнейшие расчеты показали, что в таком твердо-жидком состоянии могут существовать и другие материалы, такие, как натрий и висмут. А в ближайшем времени ученые постараются определить основные физические и химические свойства материала, находящегося в новом состоянии, которые могут оказаться очень полезными для реализации новых технологий из области прикладной химии, физики и т.п.

Источник: dailytechinfo.org

Что такое белые ночи и почему их можно видеть только в некоторых местах?

Белые ночи — это растянувшиеся на всю ночь сумерки. В астрономии сумерками называют период времени, когда Солнце находится на небольшой глубине под горизонтом.

Сумерки имеют три градации. Гражданские начинаются сразу после захода Солнца и продолжаются, пока оно не опустится на 6 градусов ниже горизонта. В этот период еще достаточно светло, и звезд на небе практически не видно. За гражданскими сумерками следуют навигационные, когда яркие звезды уже хорошо видны и могут использоваться для определения координат судна. Когда Солнце погружается под горизонт на 12 градусов, наступают астрономические сумерки. В это время уже отлично видны все звезды, но на небе еще остается подсветка, которая может мешать при наблюдении слабых туманных объектов.

Считается, что полноценная астрономическая ночь начинается лишь тогда, когда Солнце опускается на 18 градусов ниже горизонта. Перед восходом сумерки сменяют друг друга в обратном порядке: астрономические, навигационные, гражданские.

В южных (а точнее, в низких) широтах Солнце днем опускается под горизонт по крутой траектории и довольно быстро проходит все три порога сумерек. От заката до астрономической ночи проходит всего часа полтора, а то и меньше. В высоких широтах Солнце приближается к горизонту по пологой траектории и погружается под него медленно. Причем летом даже к полуночи оно не успевает преодолеть зону сумерек и сразу начинает подниматься. То есть полноценная астрономическая ночь наступить не успевает. Это явление и получило название белых ночей.

1. В низких широтах Солнце быстро погружается под горизонт и наступает ночь

В Северном полушарии Солнце бывает выше всего (и в полдень, и в полночь) в день летнего солнцестояния 21 июня. Его полуночная высота составляет 90° – (φ + ε), где φ — географическая широта, а ε = 23,5° — наклон земной оси. В этот день на широтах севернее 66,5° Солнце вообще не заходит — здесь наблюдается полярный день. На широтах от 60,5° до 66,5° всю ночь продолжаются гражданские сумерки. На широтах от 54,5° до 60,5° — навигационные, а до 48,5° бывают дни, когда астрономические сумерки длятся всю ночь.

2. За Полярным кругом Солнце летом не опускается под горизонт. 3. На широте Петербурга Солнце летом медленно погружается под горизонт и всю ночь остается неглубоко — в зоне сумерек

Так что можно сказать, что белые ночи характерны для большей части территории России. Другое дело, где на них обращают внимание. Санкт-Петербург (59,9° с. ш.) — самый северный в мире город с населением более миллиона человек. Сочетание особых условий освещения с архитектурой города порождает уникальное зрелище, благодаря которому белые ночи всегда тесно связаны с Петербургом.

elementy.ru

Метеорные потоки стимулируют круговорот воды на Луне

Рис. 1. Импактная гипотеза формирования Луны: после столкновения Земли и гипотетической планеты Тейя в околоземное пространство было выброшено много вещества, из которого потом образовалась Луна. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Исторически лунная поверхность считалась безводной: несмотря на то, что вокруг Луны есть газовая оболочка, она настолько разрежена, что не может удерживать воду миллиарды лет. Эту гипотезу поначалу подтверждали и исследования содержания воды в привезенных с поверхности Луны образцах — ее было либо ничтожно мало, либо вообще ниже предела чувствительности приборов. Но современные данные, полученные автоматическими станциями, указывают не только на присутствие воды в лунном грунте, но и на наличие круговорота воды между лунной поверхностью и атмосферой. Благодаря серии измерений, проведенных аппаратом LADEE во время прохождения Луны через метеорные потоки, появилась возможность оценить, сколько воды содержится в приповерхностных слоях лунной поверхности, а также построить количественную модель водного цикла.

В середине XIX столетия астрономы были твердо уверены, что Луна — это безводный каменистый мир с незначительной атмосферой, если она вообще есть. Лунная атмосфера была обнаружена, а измерения лунного атмосферного давления, проведенные В. Пикерингом в 1892 году, показали, что оно меньше земного в 4000 раз (W. H. Pickering, 1892. The Lunar Atmosphere and The Recent Occultation of Jupiter). В таких условиях длительное присутствие воды на лунной поверхности невозможно: она практически мгновенно будет переходить в газообразное состояние и покидать спутник Земли. На рубеже XIX и XX веков такой точки зрения о воде на Луне придерживались многие ученые, в качестве основной она продержалась несколько десятков лет.

К середине XX века стало ясно, что все не так просто. Гарольд Юри (лауреат нобелевской премии по химии 1934 года за открытие дейтерия, позже занявшийся космохимией) предположил, что исходный материал для образования Луны и Земли был одинаковым и, следовательно, вода на Луне, как минимум, когда-то была(S. Brush, 1982. Nickel for Your Thoughts: Urey and the Origin of the Moon). В 1964–65 годах в ходе миссий «Рейнджер-7» и «Рейнджер-9» были получены качественные снимки лунной поверхности с близкого расстояния, на которых можно было различить формы рельефа («каналы» и «каньоны»), будто бы прорезанные водой. Хотя сейчас точно определено, что это следы лавовых потоков, в то время эти снимки послужили в пользу утверждения гипотезы Юри.

Дискуссия продолжалась до первых успехов космической программы «Аполлон»(принята к действию в 1961 году, завершена в 1975 году; первая высадка людей на Луне состоялась в 1969 году), давшей в руки ученым образцы лунных пород и результаты прямых анализов лунной атмосферы. Состоящая преимущественно изаргона, образующегося при распаде радиоактивного изотопа ⁴⁰K, она содержала ничтожное количество молекул воды — около 600 штук на кубический сантиметр (J. H. Hoffman, R. R. Hodges, 1975. Molecular gas species in the lunar atmosphere). Изучение лунных базальтов также не показывало значительного воздействия воды: минералов, образующихся из насыщенных водой расплавов, — амфиболов — в них обнаружено не было, зато присутствовал пироксен, указывающий на бедные водой условия кристаллизации (R. Charles et al., 1971. H₂O in lunar processes: The stability of hydrous phases in lunar samples 10058 & 12013). Исключения, конечно же были: во многих образцах вода в небольших концентрациях детектировалась (в пересчете на тонну — от 250 до 500 грамм), но тогда это интерпретировалось как загрязнение земной водой из-за одинаковых изотопных соотношений кислорода (что, в свою очередь, позже стало важным аргументом в пользу того, что Луна сформировалась из осколков Земли). Самым водонасыщенным был признан образец 66095 ‘Rusty Rock’(«Ржавый камень»), в котором было много минерала гётита (FeO(OH)) и шрейберзита(Fe,Ni)₃P — типичного минерала метеоритов, очень редкого для Земли. Он и подобные образцы ясно указывали на метеориты (вроде углистых хондритов) и кометы как путь доставки H₂O на лунную поверхность (S. Epstein, H. P. Taylor, 1974.D/H & ¹⁸O/¹⁶O ratios of H₂O in the ‘rusty’ breccia 66095 & the origin of ‘lunar water’).

В конце 70-х годов начала набирать силу импактная гипотеза образования Луны(рис. 1), принятая большинством в современном научном сообществе. Согласно ей, Луна образовалась примерно 4,5 млрд лет назад при столкновении Земли с планетойТейя (которая была размером с Марс). Выброшенные обломки сформировали вокруг Земли диск, части которого под действием гравитационных сил слипались и со временем сформировали Луну.

Эта гипотеза прекрасно объясняла судьбу воды и других элементов с низкой температурой кипения (к примеру, свинца, которым горные породы Луны обеднены относительно земных) — они просто испарились в космос. Поэтому на некоторое небольшое время гипотеза безводной Луны опять перевесила.

Ситуация могла резко поменяться в 1976 году, когда советская станция «Луна-24»доставила двухметровый керн лунного грунта — реголита — из Моря Кризисов на Землю. Реголит состоит из смеси обломков горных пород и маленьких стеклянных шариков, которые образовались при мгновенном остывании расплавов, появляющихся при падении метеоритов (рис. 2). Он покрывает большую часть поверхности Луны. В районе лунных морей толщина слоя реголита составляет 4–5 метров, а на более древних «материках» — до 10–15 метров.

Рис. 2. Слева — реголит, доставленный на Землю станцией «Луна-16» (образец из коллекции музея ГЕОХИ РАН); фото автора. Справа — схематическое строение лунной поверхности; рисунок с сайта hou.usra.edu

Анализ этого керна, проведенный с помощью ИК-спектроскопии учеными из ГЕОХИ РАН в 1978 году, показал наличие в нём 0,1 весового процента воды, что было ясным сигналом — вода есть, но искать ее нужно глубже (M. V. Akhmanova et al., 1978.Possible Water in Luna 24 Regolith from the Sea of Crises). Однако этот результат не произвел должного эффекта — сказались масштабы исследованных пород: 327 г в советской программе против почти 400 кг американской. Большинство продолжало считать Луну безводной.

В 1994 году автоматическая станция «Клементина» — первый окололунный аппарат после «Аполлонов», оснащенный радаром, — зафиксировала исходящий с затененных участков лунной поверхности сигнал, характерный для водяного льда (S. Nozette et al., 1996. The Clementine Bistatic Radar Experiment; S. Nozette et al., 2001.Integration of lunar polar remote‐sensing data sets: Evidence for ice at the lunar south pole).

В 1998 году начал работать аппарат Lunar Prospector, изучавший идущий от Луны поток тепловых нейтронов. В его данных были обнаружены отрицательные аномалии в районе северного и южного полюсов Луны. Тепловые нейтроны образуются при бомбардировке вещества космическими лучами. Сталкиваясь с любым атомом, кроме атома водорода, эти нейтроны сохраняют импульс и продолжают движение. А вот при столкновении с атомом водорода они теряют большую часть импульса и останавливаются. Это дает очень удобный метод дистанционной регистрации водорода на поверхности планет. Таким образом, отрицательная аномалия тепловых нейтронов свидетельствовала о наличии водорода в районе полюсов Луны и интерпретировалась учеными как большие (в зависимости от модели — сотни миллионов или миллиарды тонн) запасы воды (W. C. Feldman et al., 1998. Fluxes of Fast and Epithermal Neutrons from Lunar Prospector: Evidence for Water Ice at the Lunar Poles).

Сейчас, когда уже получены и обработаны данные миссий «Кассини» (R. N. Clark, 2009. Detection of Adsorbed Water and Hydroxyl on the Moon), Deep Impact (J. Sunshine et al., 2009. Temporal and Spatial Variability of Lunar Hydration As Observed by the Deep Impact Spacecraft), Lunar Prospector (D. Lawrance et al., 2006. Improved modeling of Lunar Prospector neutron spectrometer data: Implications for hydrogen deposits at the lunar poles) и «Чандраян-1» (C. M. Pieters et al., 2009. Character and Spatial Distribution of OH/H₂O on the Surface of the Moon Seen by M³ on Chandrayaan-1), мы уже точно знаем и о том, что вода присутствует на поверхности Луны, и даже примерную карту ее распределения. Концентрация воды в зависимости от места и метода измерения колеблется от 10 до 10 000 г H₂O/OH на тонну лунного грунта.

Наблюдения с помощью нейтронного спектрометра, установленного на аппаратеLunar Reconnaissance Orbiter, показали еще больше: были обнаружены скопления водяного льда в постоянно затененных кратерах на полюсах (I. G. Mitrofanov et al., 2010. Mapping of the lunar south pole using the LRO neutron detector experiment LEND). Как считают ученые, они образовались из воды, которая выбрасывается в лунную атмосферу при столкновении с кометами и водосодержащими метеоритами. Такие события не только приносят воду на Луну извне, но и высвобождают воду, содержащуюся в лунном грунте.

В лунном грунте вода образуется в ходе восстановительных химических реакций под действием протонов солнечного ветра:

FeO+2H+→H2O+Fe.$$\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{O}+2{\mathrm{H}}^{+}\to {\mathrm{H}}_{2}O+\mathrm{F}\mathrm{e}.$$

Конечно же, часть воды при таких событиях теряется, но какая-то ее часть вполне имеет шанс попасть к холодным ловушкам в кратерах у полюсов, где возможно стабильное существование льда на протяжении миллиардов лет (о сходном механизме сохранения льда на Марсе см. Лед в кратере Королёв).

В результате многократного повторения описанных процессов осуществляется циркуляция воды между лунным грунтом и атмосферой, что позволяет говорить о наличии полноценного цикла воды на Луне. Разные элементы этого цикла много раз моделировались, однако его детальная характеристика была затруднена из-за недостатка численных данных и прямых измерений. Команда ученых из NASA иУниверситета Джонса Хопкинса, обработав информацию данные миссии LADEE, собранные в 2013–14 годах, опубликовала недавно в журнале Nature Geoscienceстатью, детально описывающую измерения параметров круговорота воды на Луне и его полноценную модель.

Запущенный в 2013 году аппарат LADEE был оборудован масс-спектрометром для анализа химического состава атмосферы Луны, UV-Vis спектрометром (для наблюдений в ультрафиолетовом и видимом диапазоне). Также на нем был установлен прибор LDEX (Lunar Dust Experiment), позволявший измерять количество и размер частиц лунной пыли. После 128 дней научной работы LADEE сошел с орбиты и столкнулся с Луной 17 апреля 2014 года (рис. 3).

Рис. 3. Место падения аппарата LADEE на Луну рядом с кратером Сундман V (самый крупный кратер в центре снимка): слева — до падения аппарата, справа — после. В центре кадра заметен образовавшийся от падения небольшой кратер. Место падения было специально выбрано на обратной стороне Луны, чтобы случайно не повредить ценные с исторической точки зрения места (например, спускаемые аппараты советских и американских миссий). Фото с сайта en.wikipedia.org

Орбита LADEE проходила вдоль лунного экватора на высоте 20–100 км — в луннойэкзосфере. Определив присутствие там гелия, аргона, неона и метана, масс-спектрометр LADEE также произвел 743 независимых измерения концентраций H₂O, которые были соотнесены с прохождением Луны через известные метеорные потоки (рис. 4).

Рис. 4. График нормализованной функции интенсивности, наложенный на моменты прохождения Луны через метеорные потоки. Исходные значения для функции — концентрация воды в лунной атмосфере, измеренная масс-спектрометром аппарата LADEE. Цветовая шкала справа показывает достоверность сопоставления метеоритного потока и выброса воды. График из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

По данным Международного Астрономического Союза за время научной фазы LADEE Луна прошла через 40 ежегодных метеорных потоков, которые породили 32 метеоритные бомбардировки. При прохождении через наиболее плотные потоки инструмент LDEX фиксировал увеличение концентрации пыли в экзосфере Луны, однозначно идентифицируя множественные столкновения космических объектов с поверхностью. Масс-спектрометр при этом производил измерения концентрации воды в поднятой с поверхности пыли.

При расчетах корреляции столкновений и выбросов воды использовалась нормализованная функция интенсивности (NEIR — normalized event intensity rate), возвращающая тем большие значения, чем больше было пиков концентрации воды и чем сильнее были эти пики во время потока. На рисунке 4 показан график этой функции: хорошо видно, что для крупных потоков вроде Леонид (LEO) и Геминид(GEM) функция принимает большие значения, чем малых потоков (таких как, например, Урсиды (URS) и α-Кентавриды (ACE)). 29 (из 32) пиков были зафиксированы в пределах 48 часов от предполагаемого максимума соответствующего метеорного потока. Так как в норме вода почти отсутствует в лунной экзосфере, можно уверенно утверждать, что вся вода, обнаруженная в ходе этих измерений, была поднята с поверхности Луны.

Соотнесение данных LDEX и масс-спектрометра показывает, что основная часть водных выбросов генерируется метеоритами массой около 0,15 грамма, меньшие же тела практически не оказывают никакого влияния на концентрацию воды в экзосфере Луны. Такое возможно, только если сухими являются лишь верхние несколько сантиметров лунного грунта. Построив модель поверхности Луны, состоящую из верхнего безводного слоя и «водоносного» нижнего слоя, и рассчитав глубину проникновения этих небольших метеоритов, ученым удалось установить, что лучше всего данным LADEE соответствует вариант, в котором толщина верхнего сухого слоя составляет в среднем около 8 см (рис. 5).

Рис. 5. Соотношение различных двухслойных (то есть учитывающих наличие водосодержащего нижнего и сухого верхнего слоев) моделей лунной поверхности с варьирующейся толщиной верхнего слоя с наблюдениями LADEE. Слева — количество выброшенной воды, приходящейся на метеориты разной массы, справа — распределение выбросов воды разного масштаба (число молекул воды на один кубический сантиметр лунной атмосферы на высоте пролета LADEE). Графики из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Исходя из этого, была произведена оценка концентрации воды в описываемом нижнем слое толщиной 3 метра (это максимальная глубина проникновения самых крупных метеоритов весом около 100 кг в лунный грунт по оценкам авторов статьи), которая составила 220–520 грамм на тонну. Хотя наличие верхнего безводного слоя предполагалось и ранее (S. Li, R. E. Milliken, 2017. Water on the surface of the Moon as seen by the Moon Mineralogy Mapper: Distribution, abundance, and origins), его толщина оценивалась в первые миллиметры. Таким образом, в термически активном (подверженному перепаду температур при смене лунных дня и ночи; температуры, кстати, меняются в пределах от 100 К ночью до 380 К днем, см. A. R. Vasavada et al., 2012. Lunar equatorial surface temperatures and regolith properties from the Diviner Lunar Radiometer Experiment) приповерхностном слое реголита вода нестабильна и быстро теряется за счет диффузии.

В хуже прогреваемых полярных и приполярных областях предполагается меньшая толщина термически активного слоя. Являясь мембраной между атмосферой и нижними водосодержащими породами, он, как показывают измерения, практически не содержит воды сам по себе, что указывает на высокую скорость происходящей диффузии.

Рис. 6. Предлагаемая схема лунного водного цикла. NMS — нейтронный масс-спектрометр аппарата LADEE. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Выбросы воды с поверхности, вызванные прохождением Луны через метеорные потоки, добавляет существенное ее количество к тому объему, который теряется за счет десорбции. По данным LADEE, в среднем 1,3×10⁻¹⁷–3,2×10⁻¹⁷ г воды с квадратного сантиметра поверхности воды выбрасывается каждую секунду из-за метеоритной бомбардировки, что при экстраполяции данные, полученные на экваторе, на район полюсов дает 5,1–12,1 г воды в секунду по всей Луне. Если же считать, что толщина верхнего безводного слоя действительно уменьшается к полюсам, то следует ожидать даже больших реальных значений. 67% выброшенной воды безвозвратно покидает лунную атмосферу, а оставшиеся 33% перераспределяются по поверхности. Итого, за секунду с Луны в космическое пространство выбрасывается 3,4–8,1 г воды. Параллельно за счет взаимодействия протонов солнечного ветра с реголитом образуется 2 г/с воды. Поскольку вклады иных известных и исследованных процессов в привнос и потерю воды ничтожно малы и на общий баланс почти не влияют, получается, что водный баланс в реголите держится на уровне потерь 1,4–6,1 г/с (на Луне, предположительно, идет постоянный процесс потери H₂O, оставшейся с момента формирования спутника Земли, но еще только предстоит выяснить, идет ли этот процесс и каковы его масштабы).

Исключением являются перманентно затененные участки лунной поверхности, на которых постоянно держатся низкие температуры и водный лед может скапливаться из-за меньших потерь при диффузии: более высокая концентрация воды означает и большие потери из-за метеоритных бомбардировок.

Эта работа американских ученых не только связывает воедино элементы лунной «погоды» и позволяет говорить о них, используя конкретные цифры, но и дает возможность оценить потенциал разных зон лунной поверхности для возможной добычи воды. Вода, являясь критически важным ресурсом для всех пилотируемых космических миссий, составляет значительную часть стартовой нагрузки корабля. Поэтому идея пополнять запас воды на теоретической лунной базе прямо из реголита значительно удешевляет проекты межпланетных перелетов и является важным моментом в сценариях освоения Солнечной системы.

Источник: M. Benna, D. M. Hurley, T. J. Stubbs, P. R. Mahaffy & R. C. Elphic. Lunar soil hydration constrained by exospheric water liberated by meteoroid impacts // Nature Geoscience. 2019. V. 12. P. 333–338. DOI: 10.1038/s41561-019-0345-3.