Эволюция Вселенной и происхождение жизни - Пекка Теерикор

В прошлом Венера могла быть совершенно другой. Возможно, молодая Венера больше походила на Землю: у них почти одинаковый размер, и вполне вероятно, что схожими были атмосферы. При остывании молодой Венеры вода из атмосферы могла образовывать океаны. Когда светимость Солнца составляла 75 % от современной, на Венере мог поддерживаться умеренный парниковый эффект, создающий приемлемые условия для жизни. Но по сравнению с Землей что-то пошло не так. Возможно, не смогли образоваться континенты и тектонические плиты, и поэтому CO2 не смог связаться в виде минералов в циклах выветривания, как это случилось на Земле. А может быть, на Венере были континенты и океаны, но температура медленно повышалась и достигла критического значения только миллиард лет назад. Или же на Венеру упал астероид, испаривший океаны. Пока мы знаем лишь то, что в некоторый момент температура на поверхности выросла настолько, что океаны испарились. Из-за насыщения атмосферы водяным паром — мощным парниковым газом — температура стала повышаться, и Венера испытала катастрофический парниковый эффект.

Как это ни странно, но именно большое количество воды в атмосфере обусловило ее активную потерю Венерой. Под действием солнечного ультрафиолетового излучения водяной пар стал расщепляться на кислород и водород, легкие атомы которого быстро улетучивались в космос. В то время как океаны Земли имеют глубину несколько километров, вода в современной горячей атмосфере Венеры, если ее сконденсировать, покрыла бы планету слоем толщиной менее полуметра. Судя по ударным кратерам, возраст современной поверхности Венеры около 250 млн лет. Это означает, что если на Венере жизнь возникла до испарения океанов, то следы жизни той эпохи не могли сохраниться. Более того, парниковый эффект, хотя и сейчас он довольно сильный, мог быть еще сильнее, когда в атмосфере имелось много водяного пара. В ту пору поверхность могла расплавиться, уничтожив все окаменелости. И все же возможны по крайней мере два варианта поиска жизни на Венере. Можно осуществить сбор и доставку на Землю частиц из облаков серной кислоты. Кроме того, можно искать окаменевшие следы жизни в метеоритах, выброшенных с Венеры во время ранних столкновений. Поняв то, что произошло с Венерой, мы сможем точнее предсказать будущее парникового эффекта на Земле (табл. 31.2).

Таблица 31.2. Свойства атмосфер и поверхностей внутренних планет.

Жизнь на Земле заполнила почти все исследованные ниши. Щелочные и кислотные озера, горячие источники, подповерхностные щели, дно глубоких морей — все это заселено. И все же, похоже, есть некоторые ограничения для земной жизни. Верхний предел температуры составляет около 122 °C. Жизнь искали, но не нашли, в вулканических источниках при 250 °C. Предел холода определить сложнее. Многие формы жизни могут выжить при глубоком замораживании жидким азотом. Жизненная активность обычно уменьшается, когда температура опускается ниже точки замерзания воды, но в некоторых случаях определенная активность, например процесс восстановления ДНК, отмечается при температуре -40 °C. Для жизни, основанной на воде, полное отсутствие воды, очевидно, неприемлемо. Для жизни, основанной на ДНК и РНК, ультрафиолетовое излучение смертельно, так как оно разрушает ДНК и РНК. Похоже, что жизнь способна адаптироваться ко многим другим неприятным явлениям, таким как длительное похолодание или засуха, а также появление кислородной атмосферы.

В будущем астрономы надеются изучить спектры планет, принадлежащих иным звездам. Как можно было бы найти жизнь на далекой планете типа Земли? Мы можем реально провести такой эксперимент, направив телескоп в небо и посмотрев, на что похожа наша Земля из космоса. Сразу после новолуния, когда светится лишь тонкий серп Луны, можно заметить слабое свечение остальной части ее диска — так называемый пепельный свет. Эта часть Луны освещена солнечным светом, отразившимся от Земли (см. рис. 4.2). Спектр пепельного света в ближнем ИК-диапазоне показывает, что в нашей атмосфере содержится двуокись углерода, вода, кислород и озон. Это и есть признаки планеты, на которой присутствует основанная на воде жизнь и происходит фотосинтез. Мощные линии воды, кислорода и озона отличают спектр Земли от спектров Марса и Венеры. Если фотосинтез на Земле остановится, кислород в атмосфере будет сохраняться не более 6000 лет; так что, когда жизнь на Земле погибнет, кислород исчезнет почти мгновенно. Его наличие служит верным признаком жизни.

Когда Галилео Галилей наблюдал в свой телескоп яркий Юпитер, он заметил четыре «звезды», обращающихся вокруг него. Тогда эти наблюдения имели особое значение, поскольку впервые во Все-ленной обнаружилось иное тело, вокруг которого что-то обращается: это был вызов утверждению о том, что Земля — центр Вселенной. Используя третий закон Кеплера, можно вычислить расстояние Юпитера от Солнца, а затем и от Земли. Тогда, измерив видимый размер планеты, можно определить ее истинный размер; это можно сделать для любой планеты. Диаметр Юпитера превышает диаметр Земли примерно в и раз.

В 1687 году Ньютон в своих «Началах» дал основы вычисления других физических характеристик Юпитера. Из орбитальных периодов спутников и известных размеров их орбит можно найти массу Юпитера. Эти простые вычисления показывают, что у Юпитера масса в 330 раз больше, чем у Земли. При этом его средняя плотность лишь в 1,34 раза выше плотности воды. Ясно, что эта планета содержит очень много легкого вещества: это оказались водород и гелий.

Юпитер — очень активная планета со сложными потоками в атмосфере. У него мощное и протяженное магнитное поле, и он источник сильного радиоизлучения. Период его вращения менее 10 часов. Погружаясь в недра планеты, мы заметим, что молекулярный газообразный водород постепенно превращается в жидкий молекулярный водород, а затем в жидкий металлический водород. Недра Юпитера нагреты до температуры десятки тысяч градусов. Вероятно, в центре находится расплавленное железо-каменное ядро с массой около 20 масс Земли. Генерация магнитного поля, по-видимому, происходит в электропроводящих внутренних слоях, конвективные движения вещества в которых приобретают некоторый порядок в результате быстрого вращения планеты. Некоторые теории даже связывают поверхностные ветры с движениями вещества глубоко в ядре.

У Юпитера богатая система спутников. Четыре внутренних, так называемых галилеевых спутника — Ио, Европа, Ганимед и Каллисто — сферические. Судя по их размеру и яркости, даже до космических экспедиций было ясно, что у Европы высокое альбедо (отражательная способность), а у Каллисто — низкое.

К Юпитеру было послано шесть космических зондов. «Пионер-10» стартовал в 1972 году и прошел мимо Юпитера в декабре 1973 года. «Пионер-11», запущенный в 1973 году, пролетел мимо Юпитера в 1974 году, передал на Землю много отличных фотографий и ушел к Сатурну и дальше. «Вояджер-1», отправленный в 1977 году, встретился с Юпитером в 1980 году и продолжил свой путь к Сатурну. Он передал на Землю фотографии Юпитера и его галилеевых спутников. «Вояджер-2», запуск которого состоялся на несколько дней раньше, прошел мимо Юпитера в 1981 году. После длительного периода затишья в 1989 году ЕКА и НАСА отправили аппарат «Галилео», который прибыл к Юпитеру 7 декабря 1995 года, и в тот же день его зонд проник в атмосферу Юпитера. Сам аппарат «Галилео» перешел на орбиту вокруг Юпитера и совершил около 10 пролетов мимо каждого из галилеевых спутников. Когда ресурсы «Галилео» истощились, он был направлен на Юпитер и 21 сентября 2003 года врезался в его атмосферу, чтобы избежать столкновения со спутниками, которое могло стать причиной их заражения земными бактериями. В 2000 году мимо Юпитера пролетел зонд «Кассини-Гюйгенс», передавший 26 000 фотографий Юпитера и его спутников. В результате этих космических экспедиций мы знаем состав и условия в верхних слоях атмосферы Юпитера. В отличие от Венеры, там, по-видимому, нет зон, где может существовать жизнь. Даже если в верхних слоях атмосферы «комнатная температура» и облака из капель жидкой воды, то все равно атмосферная циркуляция постоянно перемешивает эти области с гораздо более глубокими и горячими слоями. Одним словом, сам Юпитер не выглядит пригодным для жизни местом. А теперь обратимся к его спутникам.

У четырех галилеевых спутников приблизительно такие же радиусы, как у Луны. Температура поверхности у всех них около -160 °C. Их очень разреженные атмосферы обладают давлением у поверхности менее 1 микробара. В таких холодных и почти вакуумных условиях на поверхности может не быть жидкой воды. Эти спутники не защищены от ультрафиолетового излучения Солнца. Кроме того, внутренние спутники — Ио и Европа — постоянно бомбардируются высокоэнергичными частицами, ускоренными в магнитосфере Юпитера.