Планетологи раскрыли тайну «холодной Земли»

Автоматическая станция Cassini для человека альтернативный мир на Титане — крупнейшей луне газового гиганта Сатурна.

Обширные моря, высокие горы, реки, дюны, туман, облако-монстр — все это есть на «холодной Земле». Именно так часто называют Титан, похожий на нашу планету за тем исключением, что температура на его поверхности равна минус 180 градусам Цельсия, а водоемы и атмосфера содержат углеводороды, пишет «Лента.ру».

Титан в полтора раза больше Луны в диаметре и почти вдвое — по массе. В атмосфере спутника Сатурна, как и Земли, преобладает азот. В газовой оболочке Титана на него приходится до 95 процентов объема. В отличие от Земли, в атмосфере спутника Сатурна очень мало кислорода. Вместо него — метан и этан. Низкие температуры позволяют этим газам находиться в жидком состоянии. Они играют роль воды. По оценкам, более 1,6 миллиона квадратных километров поверхности Титана (почти два процента) покрыто жидкостью.

Около северного полюса Титана раскинулись три углеводородных моря (Кракена, Лигеи и Пунги) в окружении многочисленных озер. В южном полушарии пока обнаружено только одно крупное озеро. В 2014 году Cassini провела радарное наблюдение моря Лигеи и обнаружила в нем метан. Планетологам наконец-то удалось при помощи полученных автоматической станцией данных выяснить химический состав моря Лигеи.

Второй по величине углеводородный водоем сопоставим по площади с американскими озерами Гурон и Мичиган вместе взятыми. Новое исследование использует данные того же радара Cassini, но работавшего в 2007-2015 годах в другом режиме. Ученые надеялись обнаружить в море Лигеи, кроме метана, еще и этан, но это сделать не удалось. Углеводородный водоем состоит главным образом из метана. Тому есть несколько объяснений.

По одной из версий, метан попадает в море Лигеи с атмосферными осадками, а этан содержится в придонных слоях. Этан может также вымываться (через пролив Тревайза) в соседний водоем — море Кракена. Для уточнения ситуации потребуются дополнительные наблюдения. В ходе последнего исследования ученые также определили максимальную глубину моря Лигеи — 160 метров.

Установлено, что дно водоема покрыто слоем разнообразных органических соединений. Эти нерастворимые углеводороды (например, бензол и нитрилы) попали туда с атмосферными осадками и осели на дно под действием силы тяжести. Ученые не заметили разницы между температурами в море и на берегу в разные времена года (аналоги земных зимы и лета). Это позволило предположить, что береговая линия моря Лигеи имеет пористую структуру и богата жидкими углеводородами.

Выявлена самая высокая точка Титана — гора Митрим в центре нижнего хребта (показано на рисунке). Ее высота — 3337 метров. Севернее — другая гора высотой 2807 метров.

По мнению планетологов, под ледяной корой Титана скрывается мантия из жидкой воды, которая находится под высоким давлением (в том числе плотной атмосферы спутника Сатурна), медленно течет и постепенно деформирует приповерхностные слои. Это и приводит к образованию на Титане высоких гор. На это также может влиять вращение Титана (кора, мантия и ядро спутника с разной скоростью вращаются вокруг своих осей) и его приливное взаимодействие с Сатурном.

Станция Cassini в 2015 году запечатлела облако-монстр (названное так из-за огромных размеров) на южном полюсе Титана. По мнению планетологов, структура и местонахождение объекта могут свидетельствовать о приходе в эту область небесного тела зимы. Облако-монстр, состоящее из замерзших углеводородов, расположено на высоте от 200 до 300 километров в стратосфере спутника Сатурна. Этот объект впервые обнаружили в 2012 году при помощи научного инструмента CIRS (Composite Infrared Spectrometer), а его размеры и динамику уточнили в 2013-м.

Сезон на Титане длится 7,5 земного года. В районе южного полюса пик зимы придется на 2017 год, когда станция Cassini прекратит свое существование. Смену времен года на Титане ученые наблюдали с 2004-го, когда аппарат достиг орбиты Сатурна. Тогда на северном полюсе спутника была зима, а на южном — лето. С приходом весны облака на северном полюсе начали пропадать и формироваться на юге. Ученые полагают, что газообразные углеводороды в ходе сезонных изменений транспортируются из теплых участков атмосферы в более холодные, где происходит их конденсация и замерзание с образованием многослойных облаков.

Структура облаков меняется в зависимости от высоты и температуры. Это помогает ученым определить физические условия в атмосфере Титана. Полученные Cassini снимки свидетельствуют о том, что температура облака максимальна в его верхней части — минус 150 градусов по Цельсию. В нижней части облака холоднее.

На снимке двух регионов Титана на севере и юге видны углеводородные дюны. Изображение получено 25 июля 2015 года с использованием спектрального фильтра в ближней инфракрасной зоне с расстояния 730 тысяч километров. Разрешение — четыре километра на пиксель. Изучая снимки, ученые надеются понять, как приповерхностные углеводороды взаимодействуют с ветром на Титане. Исследователи уверены, что ландшафты на Титане часто меняются.

Выявлены, например, регулярные изменения в море Лигеи. Ученые проанализировали серию радарных снимков водоема со станции Cassini и пришли к выводу, что необычный, похожий на остров объект — результат активности моря (возникновения волн). На полученных в 2007, 2013, 2014 и 2015 годах станцией Cassini изображениях (в левой части) показан один и тот же участок моря Лигеи. Волны наблюдались и на море Кракена.

До этого планетологи склонялись к тому, что островной объект сформировался под воздействием ветра, дождя и приливов — взвешенные в море частицы затвердевали и поднимались на поверхность. Титан стал первым небесным телом, на котором обнаружены морские волны. Кроме того, ученые сходятся во мнении, что небольшие водоемы (озера) на Титане образуются в результате процессов, похожих на земные с той оговоркой, что на спутнике Сатурна это занимает больше времени.

В отличие от морей, озера не питаются реками и возникают, как предполагают исследователи, вследствие углеводородных дождей и поступления жидкости из недр. Продолжительность года на Титане — 29 земных лет (за это время Сатурн совершает полный оборот вокруг Солнца). В связи с этим эволюция озер на спутнике происходит примерно в 30 раз медленнее, чем на Земле. Динамика образования углублений грунта, которые потом наполняются жидкостью, напоминает формирование земных карстовых рельефов в результате постепенной эрозии почвы и растворения гипса и известняка подземными водами.

Скорость эрозии определяется химией почвы, скоростью выпадения осадков и температурой у поверхности планеты (или спутника). Хотя эти показатели у Земли и Титана сильно отличаются, качественно физика эрозии такая же. Планетологи, используя современные модели спутника Сатурна, показали, что для образования в его приполярной дождливой области воронки глубиной 100 метров потребуется около 50 миллионов лет, а для формирования озер в низких широтах с сухим климатом — 375 миллионов лет.

Маловероятно, чтобы на Титане была жизнь. Однако даже если допустить такую возможность, обитатели Титана, скорее всего, не походили бы на земных. Планетологи из США и Германии изучили возможные формы экстремальной инопланетной жизни. Гипотетические обитатели Титана отличались бы медленным метаболизмом и гигантскими размерами.

По мнению ученых, организмы на Марсе в качестве внутриклеточной жидкости могли бы содержать перекись водорода, а жизнь на Титане возможна только на основе химии углеводородов. «Если вы не рассматриваете различные варианты возможной жизни, вы не поймете, что и как искать», — объяснил один из авторов исследования Дирк Шульце-Макуш из Государственного университета штата Вашингтон. И подчеркнул, что ученые не заявляют о необычных организмах на Титане, однако отмечают, что «их существование соответствует физическим и химическим законам, а также биологии».

Если на Марсе организмы могли бы походить на земные, то биохимия обитателей Титана была бы принципиально другой. Роль внутриклеточной жидкости у организмов на объектах типа Титана могут выполнять растворы углеводородов. Из-за холода обмен веществ сильно замедляется, а клетки чрезвычайно увеличиваются в размерах. Старение живых существ в таких условиях происходит гораздо медленнее, чем на Земле.

«Только открытие внеземной жизни и второй биосферы позволит нам проверить эти гипотезы», — отметил Шульце-Макуш. Это, по его словам, было бы «одним из величайших достижений нашего вида». С ним согласились бы и в НАСА, пообещавшем найти инопланетную жизнь к 2025 году. К сожалению, в ближайшие планы ведущих космических агентств мира не входит отправка станций за пределы орбиты Юпитера. Сегодня НАСА и партнеры сосредоточены на Марсе, крупнейшей планете Солнечной системы Юпитере и его спутнике с подледным океаном — Европы.