В 1944 году Джерард Койпер спектроскопически открыл атмосферу Титана. Он заключил, что атмосфера состоит из метана. Так и считалось вплоть до полета «Вояджера-1», который в 1980 году показал, что основной компонент атмосферы Титана — азот, а давление у его поверхности превышает земное примерно в 1,5 раза. «Вояджер-2» в своем полете к Сатурну не приближался к Титану. Важную роль в исследованиях Титана сыграл космический телескоп «Хаббл» благодаря высокой четкости изображений.
Прорыв в исследованиях Титана совершили орбитальный аппарат «Кассини» и его посадочный зонд «Гюйгенс». Вначале сведений о поверхностной температуре или климате было очень мало. Атмосфера оказалась азотной с 1 % метана в стратосфере и 5 % у поверхности. Остальные газы обнаружены в мизерных количествах. Температура на поверхности около -180 °C. Это на 10 градусов меньше, чем ожидалось по теоретическим расчетам; виноват туман в атмосфере Титана, эффективно поглощающий свет, но прозрачный в инфракрасном диапазоне. Во время своего 2,5-часового спуска в атмосфере «Гюйгенс» наблюдал довольно однородный туман от высоты 150 км вплоть до поверхности, но не заметил облаков. Ветер у поверхности был очень слабым (<1 м/с), но на высоте 120 км он дул со скоростью 120 м/с.
После посадки «Гюйгенс» передавал данные более часа. Он сел на мягкую поверхность, напоминающую мокрую глину, слегка утоптанный снег или же влажный или сухой песок. Быстрое изменение газового состава в месте посадки показывает, что почва под аппаратом была увлажнена метаном. Бортовые камеры передали изображение камней вокруг аппарата, которые могут быть силикатными, но больше похожи на водяной лед, покрытый углеводородами. Снимки, сделанные «Гюйгенсом» при спуске, показывают, что внешне поверхность Титана похожа на земную. Ветвящиеся структуры очень напоминают русла рек с притоками. По форме и структуре это типичная дренажная система дождевых стоков. Они более темные по сравнению с окружающим ледяным ландшафтом.
В 2006 году «Кассини» получил радарные изображения 75 озер. Они находятся в полярных областях, где метан и этан стабильно пребывают в жидкой форме. На радарных изображениях эти озера выглядят темными (как мокрая дорога в свете фар), поскольку их гладкая поверхность отражает радиоволны зеркально, так что при их падении под углом к поверхности они не возвращаются к радару. Озера располагаются в топографических депрессиях, и в них впадают русла, похожие на те, которые видел «Гюйгенс». В 2007 году при пролете вблизи Титана «Кассини» заметил такое большое озеро, что его следовало бы назвать «морем». Его площадь 100 000 км2, то есть 0,12 % поверхности Титана (к примеру, Черное море занимает 0,085 % земной поверхности). Поданным «Кассини» можно предположить, что есть и второе озеро в несколько раз большего размера. Их было бы достаточно для поддержания круговорота метана в атмосфере (рис. 31.7). В 2008 году спектральные наблюдения показали, что жидкость в озерах — это метан с некоторым количеством этана и, возможно, азота. До сих пор не совсем ясно, как образуются облака в атмосфере Титана, почему они быстро исчезают и идут проливные метановые дожди (~ 100 кг/м2). Но очевидно, что на Титане есть круговорот жидкости, в каком-то смысле похожий на круговорот воды на Земле, с той лишь разницей, что вместо воды — метан.
А что можно сказать о жизни в таком мире? Поверхность Титана холодная, поэтому химические процессы протекают там очень медленно. Более того, у Титана никогда не было теплого прошлого (но его ожидает теплое будущее, когда Солнце превратится в красный гигант). Сейчас на поверхности Титана нет жидкой воды, а в атмосфере нет водяных паров. Но средняя плотность Титана говорит о том, что он наполовину состоит из каменистых пород, а наполовину — из водяного льда. Расчеты показывают, что под толстой ледяной корой может быть океан из смеси воды и аммиака. При высоком давлении могут существовать углеводородные клатраты, под слоем которых, вплоть до каменистого ядра, должны располагаться льды высокого давления. В некотором смысле это напоминает Землю, с той лишь разницей, что роль земных силикатов на Титане играет вода. Вероятно, на Титане действуют вулканы, извергающие воду, метан и аммиак. Озера «водяной лавы» могут сохраняться в жидкой форме сотни лет, становясь потенциальными оазисами для развития жизни.
Рис. 31.7 Озера и их берега на Титане. Радарное изображение подучено орбитальным аппаратом «Кассини». С разрешения NASA/JPL.
Холодные области за пределом вулканов и тектонических областей Титана непригодны для знакомых нам форм жизни. Если там и есть жизнь, то она совершенно иная. В любом случае, Титан может оказаться наилучшим полигоном предбиологической химии. В атмосфере, на высоте 200–300 км от поверхности, есть зона фото-активного тумана. В этой зоне, простирающейся до высоты 1000 км, метан и азот ионизуются под действием солнечного ультрафиолета и энергичных частиц. Ионы весьма активны: они стимулируют формирование сложных молекул различного состава и длины. Они объединяются в дегтеобразные вещества под названием толины; возможно также, что там могут формироваться различные аминокислоты и длинные углеводородные цепи. Когда толины становятся достаточно тяжелыми, они начинают осаждаться на поверхность Титана. Все это напоминает процессы, происходившие в атмосфере Земли, когда на ней зарождалась жизнь.
Другие спутники Сатурна, например Энцелад, Тефия и Диона, значительно меньше Титана. 14 июля 2005 года «Кассини» пролетел мимо Энцелада и обнаружил, что в районе южного полюса наблюдаются огромные выбросы водяного пара и кристаллов льда. Расчеты показывают, что эти гейзеры извергаются из теплого моря, возможно, богатого органикой. Согласно некоторым моделям, это море глубиной 50 км лежит под 10-км слоем льда. Близость теплого и холодного может играть важную роль для формирования компонентов жизни. Это также нужно иметь в виду, изучая Европу и Титан. Измерение параметров плазмы вокруг Сатурна показывает, что Тефия и Диона выбрасывают в пространство частицы. Возможно, эти ледяные спутники тоже геологически активны.
Внешние области Солнечной системы — холод и одиночество.
Во внешней части нашей планетной системы холодно. Уран и Нептун — уменьшенные версии Юпитера и Сатурна. Они недостаточно велики, чтобы в их недрах мог образоваться металлический водород. Вероятно, в их составе большую долю занимают соединения водорода с другими элементами. По тем же причинам, что и в случае Юпитера и Сатурна, они считаются непригодными для жизни.
На таком большом расстоянии от Солнца вода принимает твердую форму. Метан и азот превращаются в жидкость, а затем — в снег. На Тритоне, крупнейшем спутнике Нептуна, видны своеобразные вулканы, извергающие, по-видимому, жидкий азот или метан. Но эти вулканы не дают тепла, необходимого для жизни.
Некоторые объекты, движущиеся за Нептуном, — Плутон и еще полдюжины тел радиусом 400 км и более, — достаточно велики, чтобы иметь почти сферическую форму. Сейчас их, а также Цереру из Главного пояса астероидов называют карликовыми планетами (врезка 31.1). Мы мало знаем об этих далеких мирах. Первые оценки массы Плутона были косвенными и лежали в широком диапазоне, вплоть до значения, почти равного массе Земли. В 1978 году был открыт спутник Плутона Харон, движение которого позволило измерить массу Плутона: она оказалась очень маленькой, всего лишь пятая часть массы Луны, то есть около 1/1400 массы Земли (рис. 31.8).
Поверхность Плутона в основном покрыта азотным льдом. Любопытно, что, продвигаясь к периферии Солнечной системы, мы обнаруживаем, что газы наподобие азота, составляющие основу атмосферы таких внутренних объектов, как Земля, в далеких системах принимают форму твердого льда. У Плутона разреженная атмосфера. Недра его, по-видимому, холодные. Если в коре есть жидкие зоны, то в них жизнь или даже продвинутая предбиологическая химия с трудом могла бы развиваться со сколько-либо значительной скоростью. Другие крупные объекты за орбитой Нептуна удалены еще дальше, чем Плутон, поэтому условия на них или внутри них оценить трудно. Если бы в той области обнаружился объект размером с Землю, то под поверхностью у него мог бы быть жидкий океан, но эти рассуждения лучше оставить фантастам.
Рис. 31.8 Карликовая планета Плутон кроме крупного спутника Харон, открытого в 1978 году, имеет два маленьких спутника — Никта и Гидра, обнаруженных космическим телескопом «Хаббл».
Кометы и астероиды.
С далекой периферии Солнечной системы в ее внутренние области регулярно прилетают гости. Это кометы, довольно маленькие, состоящие изо льда и пыли. Они приходят по сильно вытянутым эллиптическим орбитам. Самая удаленная часть такой орбиты — афелий — может находиться в сотнях и тысячах астрономических единиц от Солнца, тогда как в наиболее близкой к Солнцу точке орбиты — перигелии — комета может почти касаться поверхности Солнца. Некоторые кометы буквально ныряют в атмосферу Солнца, а другие не подходят к нему ближе орбиты Юпитера.
