История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет - Роберт Хейзен

Еще одним отличительным свойством «чистой» воды является ее недостаточная чистота. Независимо от самой тщательной фильтрации или дистилляции, вода никогда не состоит только из молекул H2O. Некоторая часть молекул, состоящих из трех атомов, неуклонно распадается на положительно заряженные ионы водорода (гидроны, или ионы H+, которые на самом деле представляют собой независимые, положительно заряженные протоны без каких-либо электронов вообще), а также отрицательно заряженные гидроксильные ионы (ионы OH–). Гидроны быстро присоединяются к молекулам воды, образуя ионы гидроксония H3O+. То, что мы называем чистой водой при комнатной температуре, содержит примерно одинаковое количество ионов гидроксония и отрицательно заряженных гидроксильных ионов, в химических терминах это и есть pH = 7 (можно сказать, что «сила водорода» составляет 10–7 моль/л).

Две важные, но малоизученные характеристики первичных океанов Земли – pH и содержание солей представляют особый интерес для исследователей. Вода легко растворяет любые примеси, как положительно заряженные ионы натрия (Na+) или кальция (Са2+), так и отрицательно заряженные ионы хлора (Cl–) или карбоната (СО32–). В общем случае совокупный электрический заряд любого объема водного раствора должен быть равен нулю: общее число положительных зарядов должно быть уравновешено адекватным числом отрицательно заряженных частиц. В чистой воде комнатной температуры 10–7 молей H3O+ нейтрализуются 10–7 молей OH–. Однако в кислотах требуется избыток H3O+, чтобы нейтрализовать отрицательные ионы (например, хлора в соляной кислоте HCl). В щелочной среде дополнительное количество OH– требуется для нейтрализации положительно заряженных ионов (например, натрия в гидроокиси натрия NaOH).

Концентрация кислотных и щелочных компонентов определяется по шкале pH. Низкие значения pH указывают на кислотные примеси, где ионов H3O+ больше, чем ионов OH–. Жидкость с небольшой кислотностью со значением pH = 6 (типично для необработанной питьевой воды во многих регионах) содержит в десять раз больше ионов гидрония, чем нейтральный раствор со значением pH = 7. Вот примеры жидкостей с большей кислотностью: кофе (pH = 5, H3O+ в 100 раз больше), уксус (pH = 3, H3O+ в 10 тыс. раз больше), лимонный сок (pH = 2, H3O+ в 100 тыс. раз больше). А вот, напротив, примеры жидкостей, в которых ионы OH – преобладают над ионами H3O+ и значение pH которых больше 7 – это типичные щелочи, такие как пищевая сода (pH = 8,5), гидроксид магния (лекарство от изжоги, pH = 10) и домашние моющие средства (pH = 12). Ниже мы увидим, что показатели pH и солености первичного океана Земли являются остродискуссионными вопросами.

Вода, вода, кругом вода

Одно из самых распространенных в космосе веществ – это вода. Куда бы мы ни обратили свой взгляд, повсюду встречается вода. Ее наличие на планетах, спутниках и кометах объясняет, почему же воды так много на Земле, а также указывает на возможность присутствия жизни в космосе, поскольку вода и жизнь тесно связаны между собой. Наблюдения в телескопы могут быть обманчивыми, поскольку обилие воды в нашей атмосфере искажает представление о наличии воды на отдаленных объектах. Тем не менее в глубоком космосе на некоторых космических объектах обнаруживается ледяной покров – его определяют по выраженному поглощению замерзшей водой инфракрасных лучей.

Этот спектроскопический след показывает, что значительные объемы замерзшей воды встречаются на некоторых кометах и астероидах. Астрономические исследования зафиксировали множество ледяных миров в пределах Солнечной системы – от Плутона с его небесным спутником Хароном до Сатурна с его сверкающими ледяными кольцами. Все газовые гиганты, изначально состоящие из водорода и гелия, в своих плотных атмосферах содержат значительные запасы водяного пара. На громадных спутниках Юпитера Европе и Каллисто, предположительно, под многокилометровым покровом льда находятся еще более глубокие океаны воды.

Ближние к нам планеты земного типа, на первый взгляд, кажутся безводными. Однако благодаря наблюдениям с помощью запущенного НАСА на Меркурий космического аппарата Messenger обнаружились солидные отложения льда в холодных полярных кратерах, дна которых не достигают лучи Солнца. Следующая планета, Венера, возможно, вначале имела запасы воды, сопоставимые с земными, но в настоящее время воды на ее поверхности, скорее всего, почти нет. Ее раскаленная углекислая атмосфера свидетельствует о безудержном парниковом эффекте и о давно исчезнувшей поверхностной воде, когда-то существовавшей на планете.

Совершенно иная картина открывается на Марсе, где белые шапки полярного льда то увеличиваются, то уменьшаются в соответствии с 687-суточным марсианским годом. По мнению астрономов, на Красной планете вполне может быть вода, а значит, и жизнь. В 1870-е гг., во время сильного сближения Марса и Земли, итальянский астроном Джованни Скиапарелли зафиксировал темные линейные объекты, которые он интерпретировал как естественные долины, возможно, произведенные работой воды, по-итальянски – canali. В переводе это слово было ошибочно передано как «каналы», что означает высокотехнологичные инженерные сооружения, и это породило устойчивое мнение о наличии на Марсе разумной жизни. Наиболее горячим приверженцем этой идеи был гарвардский астроном Персиваль Лоуэлл, буквально одержимый открытиями Скиапарелли. Он потратил все семейное состояние на постройку обсерватории во Флагстаффе, штат Аризона, и там занимался исключительно наблюдениями за Марсом. Пользуясь новейшим 60-сантиметровым телескопом и ясным аризонским небом, он полагал, что сумеет разрешить загадку сети каналов, протянувшихся от полярных ледников к засушливой зоне экватора. В своих чрезвычайно популярных книгах: Mars (1895), «Марс и его каналы» (Mars and Its Canals, 1905) и «Марс как прибежище жизни» (Mars as the Abode of Life, 1908) Лоуэлл описывает последнее отчаянное техническое достижение расы, исчезнувшей вследствие недостатка воды.

Красочные фантазии Лоуэлла породили целую волну научно-фантастических романов и рассказов (включая классическую «Войну миров» Г. Уэллса в 1898 г.), но так и не сумели убедить научное сообщество, что на Марсе имеется вода, тем более жизнь. Несмотря на более чем вековую историю исследований с использованием все более и более мощных телескопов, а также с запуском на Марс сложнейшей техники: зондов (начиная с Mariner-4 в 1965 г.), искусственных спутников (первым из них стал Mariner-9 в 1971 г.) и посадочных модулей (начиная с Viking в 1976 г.), убедительных доказательств наличия на Марсе источников воды и водоемов так и не было получено. В конце 1970-х гг. путем спектрального анализа с помощью Viking было документально зафиксировано наличие водяного льда в северной полярной зоне, но только в 2000-е гг., благодаря применению сложнейших приборов на последнем поколении искусственных спутников, а также манипуляторов на зонде Phoenix и марсоходах Spirit и Opportunity было подтверждено наличие огромных запасов воды и условий ее залегания на Марсе.

В настоящее время большая часть водных запасов Марса состоит из зон вечной мерзлоты и, возможно, грунтовых вод в более теплых регионах – потенциальные водоемы, которые пока остаются изолированными от поверхностного сухого слоя. Признаки наличия таких глубинных резервуаров были обнаружены в 2002 г. с помощью высокоточного нейтронного спектрометра[8], установленного на зонде Odyssey, запущенном к Марсу. Космические лучи, обстреливая поверхность Марса, способны выбивать нейтроны из водородосодержащих (а значит, и водоносных) отложений. Спектрометр разработан для обнаружения таких нейтронов на обширных территориях марсианской поверхности, от экваториальных зон до высоких широт. Однако эти интригующие результаты вызвали не меньше вопросов, чем дали ответов, поскольку таким образом невозможно было определить характер агрегатного состояния воды – жидкость это, лед или часть минерального соединения.

В 2007 г. запущенная НАСА многофункциональная автоматическая космическая станция Mars Reconnaissance Orbiter, используя радар, способный «видеть» сквозь грунт, представила изображение в достаточно высоком разрешении скрытой в глубинах Марса воды. Эти новаторские исследования обнаружили скопления льда размером с ледники в умеренных широтах южного полушария. Позднее европейская космическая станция Mars Express Orbiter, используя аналогичный радар, обнаружила глубинный лед на большей части территории планеты. В зонах, близких к южному полюсу, зафиксированы ледники толщиной более полукилометра. Поистине, Марс может располагать объемом воды в виде льда, которая могла бы покрыть всю планету океаном глубиной несколько сотен метров. Возможно, когда-то на Марсе существовали родственники земных океанов.