Вода вне планеты Земля, или, хотя бы, следы её существования в прошлом, являются объектами сильного научного интереса, так как предполагают существование внеземной жизни.
Земля, 71 % поверхности которой покрыто океанами из жидкой воды, является на данный момент единственной известной содержащей жидкую воду планетой в Солнечной системе и всей Вселенной.[1] Имеются научные данные, что на некоторых спутниках планет-гигантов (Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна) вода может находиться под тонкой корой, покрывающей планету. Однако однозначных доказательств наличия 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.[2]
Содержание |
Ранее считалось, что водоёмы и каналы с водой могут находиться на поверхности Венеры и Марса. С развитием разрешения телескопов и появления других методов наблюдения эти данные были опровергнуты. Однако присутствие воды на Марсе в далёком прошлом остаётся темой для научных дискуссий.
Томас Голд считал, что многие объекты Солнечной системы могут содержать подземные воды.[3]
Лунные моря, представляющие собой, как сейчас известно, огромные базальтовые равнины, ранее считались водоёмами. Впервые некоторые сомнения относительно водной природы лунных «морей» высказал Галилей в своём «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.
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 бо́льшая часть этой воды испарилась в космос[4].
Российские учёные 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[5]. После проведения эксперимента, 13 ноября 2009 года НАСА сообщило об обнаружении в кратере Кабеус в районе южного полюса воды в виде льда[6]. 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.[7]
Согласно данным, переданным радаром Mini-SAR, установленном на индийском лунном аппарате Чандраян-1, всего в регионе северного полюса обнаружено не менее 600 млн тонн воды, бо́льшая часть которой находится в виде ледяных глыб, покоящихся на дне лунных кратеров. Всего вода была обнаружена в более чем 40 кратерах, диаметр которых варьируется от 2 до 15 км. Сейчас у учёных уже нет никаких сомнений в том, что найденный лёд — это именно водный лёд[8].
До того как космические аппараты сели на поверхность Венеры, высказывались гипотезы, что на её 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 учёных 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.[9] 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.[10]
Эрик Шасефьер (Eric Chassefière) из университета южного Парижа (Université Paris-Sud) и Колин Уилсон из Оксфордского университета, считают что вода на Венере никогда не существовала в жидком виде, но содержалась в гораздо бо́льшем количестве в атмосфере Венеры.[11][12] 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.[13]
Телескопические наблюдения со времён Галилея давали учёным возможность допускать, что на Марсе есть жидкая вода и жизнь. По мере роста объёма 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.[15][16]
Имеется гипотеза о существовании в прошлом покрытого льдом[17] Марсианского океана (англ.).
Имеется ряд[18] прямых и косвенных доказательств присутствия в прошлом воды на поверхности Марса или в его глубине (англ.):
Остаётся открытым вопрос, куда ушла жидкая вода с поверхности Марса.[21]
В то же время, вода имеется на Марсе и в наше время и находится она в нескольких формах:
Наконец, открытия, сделанные в последнее время, позволяют считать, что в небольшом количестве вода в жидком виде существует на поверхности Марса и в наше время. Так космический зонд «Феникс» в 2008 году в одной из проб марсианского грунта обнаружил воду,[27] а 4 августа 2011 года НАСА объявило, что при помощи космического аппарата Mars Reconnaissance Orbiter удалось обнаружить на поверхности Марса признаки сезонных ручьёв из жидкой воды.[28]
Наличие подземных океанов предполагается у многих из покрытых льдом спутников внешних планет. В некоторых случаях считается, что слой океана, возможно, присутствовал в прошлом, но с тех пор в результате охлаждения превратился в твёрдый лёд.
В настоящее время считается, что жидкая вода имеется под поверхностью только нескольких галилеевых спутников Юпитера, например, таких как Европа (жидкая вода под ледяной поверхностью из-за приливного нагрева), и, с меньшей вероятностью, у Каллисто и Ганимеда.
Модели, рассчитывающие сохранение тепла и нагревания с помощью радиоактивного распада в небольших ледяных телах, позволяют предположить, что Рея, Титания, Оберон, Тритон, Плутон, Эрис, Седна и Орк, возможно, имеют океаны под слоем твёрдого льда глубиной около 100 км.[29] Особый интерес в этом случае представляет то, что, как предсказывают модели, жидкие слои могут находиться в прямом контакте с каменным ядром, что вызывает постоянное перемешивание минералов и солей в воде. Это составляет существенное отличие от океанов, которые могут быть внутри больших ледяных спутников, таких как Ганимед, Каллисто или Титан, где под слоем жидкой воды, скорее всего, располагается слой плотного льда.[29]
Атмосфера Юпитера обладает газовым слоем, в котором, из-за схожих с земными температурой и давления, водяной пар может конденсироваться в капли.
Поверхность спутника полностью покрыта слоем воды толщиной предположительно 100 километров, частью в виде ледяной поверхностной коры толщиной 10—30 километров; частью, как полагают, — в виде подповерхностного жидкого океана. Ниже лежат горные породы, а в центре, предположительно, находится небольшое металлическое ядро[30] Предполагается, что океан сформировался благодаря генерируемому приливами теплу[31]. Нагревание вследствие радиоактивного распада, которое почти такое же, как и на Земле (на кг породы), не может обеспечить необходимый нагрев недр Европы, потому что спутник куда меньше. Поверхностная температура Европы в среднем около 110 К (—160 °С; —260 °F) на экваторе и всего 50 К (-220 °С; −370 °F) на полюсах, придавая поверхностному льду высокую прочность[32]
Исследования, проведённые в рамках космической программы «Галилео», подтвердили доводы в пользу существования подповерхностного океана[31]. Так, на поверхности Европы имеются «хаотические области», которые некоторые учёные интерпретируют как области, где через растаявшую ледяную корку видно подповерхностный океан.[33] В то же время, большинство планетологов, изучающих Европу, склоняются к модели, называемой «толстым льдом», в которой океан редко (если это вообще случается) непосредственно взаимодействует с существующей поверхностью[34]. В различных моделях приводятся разные оценки толщины ледяной оболочки, от нескольких километров до десятков километров[35].
Поверхность Ганимеда также покрывает кора из водяного льда толщиной 900—950 километров[36][37]. Водяной лёд расположен практически на всей поверхности и его массовая доля колеблется в пределах 50—90 %[36]
На Ганимеде есть полярные шапки, предположительно состоящие из водяного инея. Иней простирается до 40° широты[38]. Впервые полярные шапки наблюдались при пролёте КА «Вояджер». Предположительно, полярные шапки Ганимеда сформировались из-за миграции воды к более высоким широтам и бомбардировки льда плазмой.[39]
На Ганимеде также, скорее всего, имеется подземный океан между слоями льда под поверхностью, уходящей примерно на 200 километров вглубь[40]
Спектроскопия выявила на поверхности Каллисто водяной лёд, массовая доля которого составляет от 25 до 50 %.[36]
Поверхностный слой Каллисто покоится на холодной и жёсткой ледяной литосфере, толщина которой по разным оценкам составляет от 80 до 150 км[41][42].
Исследования, совершённые с помощью КА «Галилео», позволяют предположить наличие под ледяной корой солёного океана океана из жидкой воды глубиной 50-200 км[36][41][42][43][44].
Было обнаружено, что магнитное поле Юпитера не может проникнуть в недра спутника, что предполагает собой наличие целого слоя из электропроводящей жидкости толщиной не менее 10 км[44]. Существование океана становится более вероятным, если предположить наличие в нём небольших доз аммиака или иного антифриза с массовой долей в 5 % от совокупной массы жидкости[42]. В таком случае, глубина океана может доходить до 250—300 км[41]. Покоящаяся над океаном литосфера также может быть куда толще, чем считается, и её толщина может достигать 300 км.
Энцелад преимущественно состоит из водяного льда и имеет самую чистую в Солнечной системе ледяную поверхность.[45]
Автоматическая станция «Кассини», достигшая в 2004 году системы Сатурна, зарегистрировала фонтаны воды высотой в многие сотни километров, бьющие из четырёх трещин, расположенных в районе южного полюса планеты.[46] Впрочем, этом может быть и просто лёд.[47] Вода может нагреваться из-за действия либо приливных, либо геотермальных сил. Извергающаяся из недр Энцелада вода, по всей видимости участвует в формировании кольца Е Сатурна.[48]
Выдвинута гипотеза о наличии на Энцеладе солёных подземных океанов.[49][50]
Спутник состоит предположительно на 50 % из водного льда.[51] С помощью инфракрасной спектроскопии, сделанной в 2001—2005 годах было подтверждено наличие водного льда на поверхности спутника[52]
По одной из моделей, Титания состоит из каменного ядра, окружённого ледяной мантией[51]. Текущее состояние ледяной мантии остаётся неясным. Если лёд содержит достаточное количество аммиака или любого другого антифриза, то у Титании может иметься слой жидкого океана на границе мантии с ядром. Толщина данного океана, если он существует, может доходить до 50 километров, а его температура составит около 190 К[51].
Во время исследования Титана «Вояджером» на нём были обнаружены моря и озёра из жидкого метана. Исследования во время миссии Кассини-Гюйгенс вначале, при посадке зонда Гюйгенс на поверхность Титана, выявили лишь следы нахождения жидкости на планете, такие как русла высохших рек, однако сделанные позже комическим аппаратом Кассини радиолокационные снимки показали наличие углеводородных озёр вблизи северного полюса.[53]
Согласно расчётам, Титан имеет твёрдое ядро, состоящее из скальных пород, диаметром около 3400 км, которое окружено несколькими слоями водяного льда.[54] Внешний слой мантии состоит из водяного льда и гидрата метана, внутренний — из спрессованного, очень плотного льда.
Кроме того, не исключается, что на Титане имеется подземный океан воды под тонкой корой, состоящей из смеси льда и углеводородов.[55][56][57] Мощное приливное действие Сатурна может привести к разогреву ядра и поддержанию достаточно высокой температуры для существования жидкой воды[58].
Сравнение снимков «Кассини» за 2005 и 2007 годы показало, что детали ландшафта сместились примерно на 30 км. Поскольку Титан всегда повёрнут к Сатурну одной стороной, такой сдвиг может объясняться тем, что ледяная кора отделена от основной массы спутника глобальной жидкой прослойкой[58].
Предполагается, что в воде содержится значительное количество аммиака (около 10 %), который действует на воду как антифриз<[59], то есть понижает температуру её замерзания. В сочетании с высоким давлением, оказываемым корой спутника, это может являться дополнительным условием существования подповерхностного океана[60][61].
Уран и Нептун могут иметь крупные океаны, состоящие из горячей, находящейся под большим давлением, воды.[62] Хотя на данный момент внутренняя структура этих планет не очень понятна. Некоторые астрономы считают, что эти планеты принципиально отличаются от газовых гигантов Юпитера и Сатурна, и выделяют их в отдельный класс «ледяных гигантов».[63]
Карликовая планета Церера содержит большое количество водяного льда[64] и может обладать разряженной атмосферой.[65] Температура на планете слишком низкая, чтобы вода существовала в жидком виде, но в случае наличия на планете аммиака, который в растворе с водой обладает эффектом антифриза, это возможно.[66] Более подробная информация станет доступной в 2015 году, когда космический аппарат «Рассвет» достигнет Цереры.
Кометы содержат большой процент водяного льда, но из-за их небольшого размера и расстояния от Солнца, наличие жидкой воды на них считается маловероятным. Тем не менее, исследование пыли, собранной из кометы Вильда, показало наличие в прошлом жидкой воды внутри кометы.[67] Пока ещё неясно, что явилось источником тепла, который вызвал таяние водяного льда внутри кометы.
Большинство из более чем 450 обнаруженных внесолнечных планетных систем сильно отличаются от нашей, что позволяет считать нашу Солнечную систему во многом уникальной. Задачей современных исследований является обнаружение планеты размером с Землю в обитаемой зоне своей планетной системы (Зоне Златовласки).[68] Кроме того, океаны могут находиться и на крупных (размером с Землю) спутниках планет-гигантов. Хотя сам по себе вопрос существования столь крупных спутников является дискутабельным, телескоп Кеплера обладает достаточной чувствительностью, чтобы обнаружить их.[69] Имеется мнение, что каменистые планеты, содержащие воду сильно распространены по всему Млечному Пути.[70]
55 Рака f представляет собой крупную планету, орбита которой проходит в обитаемой зоне звезды 55 Рака. Её состав неизвестен, но предполагается, что она может быть серным гигантом или водным гигантом. Кроме того, если она имеет скалистые луны, то они могут иметь жидкую воду.[71][72][73]
АА Тельца представляет собой молодую звезду, возраст которой составляет менее миллиона лет, вокруг которой имеется протопланетный диск. В протопланетном диске звезды орбитальный инфракрасный телескоп Спитцер обнаружил молекулы, такие как цианид водорода, ацетилен и углекислый газ, а также пары воды.[74] В случае, если на определённом расстоянии от звезды в протопланетном диске имеются твёрдые объекты, то они могли бы конденсировать воду на своей поверхности.
COROT-7b представляет собой экзопланету чуть менее чем в два раза больше Земли, вращающуюся очень близко к своей звезде. В начале 2009 года она была обнаружена космическим телескопом COROT. Температура на поверхности планеты, по расчётам, будет в диапазоне 1000—1500 градусов по Цельсию, но так как состав планеты неизвестен, можно предположить, что поверхность планеты либо расплавленную лаву или окутана толстым слоем облаков из водяного пара. Планета также может состоять из воды и горных пород в почти равных количествах. В случае, если COROT-7b богат водой, он может быть планетой-океаном.[75]
COROT-9b представляет собой экзопланету размером с Юпитер, орбита которой проходит в 0.36 а. е. от своей звезды. Температура на поверхности может колеблется от −20 градусов до 160 градусов по Цельсию.[76] COROT 9b является газовым гигантом, но не является горячим юпитером. Атмосфера состоит из водорода и гелия, однако в состав планеты вплоть до 20 земных масс ожидается нахождение других элементов, таких как вода и горные породы при высоких давлениях и температурах.[76][77]
В системе Глизе 581 имеется три планеты, возможно имеющих жидкую воду на своей поверхности: это Глизе 581 c, Глизе 581 d и Глизе 581 g.
Глизе 581 c находится в обитаемой зоне и может иметь на своей поверхности жидкую воду.[78]
Глизе 581 d выглядит даже лучшим кандидатом на наличие жидкой воды. Орбитальный период, который первоначально оценивался в 83 дня, позже был пересмотрен до 66 дней.[79] В мае 2011 года, были опубликованы данные, что планета, возможно, имеет плотную атмосферу, водные океаны и даже следы жизни.[80]
Некоторое время Глизе 581 g считалась ещё одним хорошим кандидатом на жидкую воду. Предполагалось, что эта планета в три — четыре раза массивнее Земли, но при этом слишком мала, чтобы быть газовым гигантом. Её орбитальный период был рассчитан в 37 дней, и таким образом, считалось, что она находится в середине обитаемой зоны своей звезды. Однако астрономы из Европейской южной обсерватории (ESO), осуществляя более точные наблюдения при помощи спектрографа HARPS, показали, что Gliese 581 g не существует — она является ошибкой измерений.[81]
GJ 1214 b в три раза больше Земли и в 6,5 раз массивнее. По массе и радиусу предполагалось, что планета состоит по массе на 75 % из воды и на 25 % из каменистых материалов, а атмосфера планеты содержит водород и гелий и составляет 0,05 % массы планеты.[82] Однако по последним данным астрономов было обнаружено, что атмосфера состоит из паров металлов, 10 % атмосферы представляет собой водяной пар.[83] Согласно дополнительным исследованиям, опубликованным в феврале 2012 года, в атмосфере планеты вода составляет не менее половины массы.[84]
HD 85512 b была открыта в августе 2011 года. Она больше, чем Земля, но достаточно мала, чтобы быть скалистым миром. Она находится на границе обитаемой зоны своей звезды и, возможно, имеет жидкую воду на своей поверхности.[85][86]
Представляет собой сверхземлю, которая вращается вокруг коричневого карлика. Предположительно, поверхность планеты может быть покрыта глубоким океаном.[87]
В протопланетном диске молодой звезды обнаружено большое количество воды.[88]
Внеземная вода.