Нил Тайсон - Добро пожаловать во Вселенную

Наконец, последняя оговорка. Как уже утверждалось, все эти планеты обладают массой в несколько раз больше Юпитера и, подобно Юпитеру, относятся к газовым гигантам (то есть лишены твердой поверхности, а толстый слой их атмосферы состоит в основном из водорода и гелия). Если мы хотим найти поверхность, похожую на земную, с жидкими океанами, в которых возможна жизнь, стоит, пожалуй, рассмотреть каменные или ледяные спутники таких планет.

Недавно космический аппарат «Кеплер» пронаблюдал явление транзита у многих планет: планета проходит по орбите перед своей звездой, отчего яркость звезды ненадолго падает. Наблюдения такого эффекта позволили

«Кеплеру» открыть тысячи планет, в том числе и таких, у которых размеры и массы сопоставимы с земными. Подобная планета, скорее всего, каменная, а некоторые из них находятся от материнских звезд на расстояниях, 269

Решения где возможно существование воды в жидком состоянии. Мы говорим, что такие планеты находятся в «обитаемой зоне» или в «поясе Златовласки»

(не слишком жарко, не слишком холодно, в самый раз!). Нашли и планету на орбите вокруг Проксимы Центавра (ближайшей к Земле звезды, до которой

4,2 световых года): вывод о ее существовании сделан из колебаний скорости материнской звезды вдоль луча зрения. Масса этой планеты предположительно чуть больше земной. Альбедо и парниковый эффект неизвестны, но не исключено, что они таковы, что равновесная температура на поверхности допускает наличие жидкой воды. Однако эта планета так близка к материнской звезде класса М, что находится у нее в приливном захвате, как Луна у

Земли. Если это так, то она всегда повернута к звезде одним полушарием, отчего солнечная сторона так нагревается, а обратная так холодна, что вода в жидком состоянии не может существовать ни на одной из них*.

66. Океаны в Cолнечной системе

66. аМасса m — это плотность, помноженная на объем V , а плотность воды нам известна. Так что из заданной плотности мы можем вывести объем.

Будем работать с точностью до двух значащих цифр:

3 m = V

ρ = 4 R

π h ρ = 3π(6371 км×10 м/км)2

2

3

×

4

3

3

3

21

×3,5×10 м×1,0×10 кг / м = 1,3×10 кг.

Мы воспользовались калькулятором, а потом округлили результат до двух значащих цифр. Но затем мы произвели приблизительный расчет, чтобы проверить, что мы случайно не ввели в калькулятор что-то не то.

Вышеприведенное число можно очень приблизительно записать как

3 3 6,42 3 1018 кг.

* Теоретически жидкая вода на такой планете может существовать в очень узком поясе около экватора — Прим. ред.

270

Решения

Мы знаем, что 6,42 40, а 3 3 10, поэтому получим

3 40 10 1018 кг = 1200 1018 кг = 1,2 1021 кг.

Подобная грубая арифметика дала нам очень похожий ответ, не то чтобы идеальный, если нам и в самом деле нужна точность до двух значащих цифр, однако проделывать приблизительные вычисления для проверки никогда не лишнее. Даже если вы делаете точные вычисления на калькуляторе, и полученные результаты сильно разнятся от ручной оценки, вполне может оказаться, что ошиблись вы именно в точных вычислениях.

66. bМожно было бы вычислить массу океанов, а затем взять отношение найденной величины к массе, которую мы вычислили раньше. Но давайте подойдем к задаче с другой стороны — из педагогических соображений (и еще потому, что арифметика будет проще). Понимая, что глубина гипотетического марсианского океана известна плохо, мы спокойно можем работать с точностью до одной значащей цифры.

Наш метод заключается в том, чтобы сначала проделать все возможные алгебраические преобразования, а только потом подставить цифры: 2

2 m океананаМарсе 4 r

π

h ρ

⎛ r

⎞ h

Марса Марса

4 Марса

Марса

=

= ⎜

⎟

.

2 m

3 r

π

h

ρ 3 r h океана на Земле

Земли Земли

⎝ Земли ⎠ Земли

Обратите внимание: выражение для земных океанов учитывает, что они покрывают лишь 3/4 земной поверхности. Далее, отношение радиусов примерно равно 1/2, а отношение глубин океанов — около 1/3, поэтому отношение масс марсианских и земных океанов составит примерно 4/3

(1/2)2 1/3 1/9, или 0,1. Здесь калькулятор нам не нужен, как и дополнительная точность: учитывая неопределенность наших познаний о глубине марсианского океана, мы все равно не сможем дать более точный ответ.

Однако вывод производит сильное впечатление: вероятно, когда-то на Марсе

271

Решения было всего в 10 раз меньше воды, чем теперь на Земле (то есть 10 % нашего мирового океана), а это очень много воды!

Куда же подевалась вся вода? Возможно, какая-то часть впиталась в богатые водой минеральные соединения под поверхностью или осталась в виде огромных подземных водяных либо ледяных слоев. Сегодня жидкая вода на поверхности Марса долго сохраниться не может: его атмосфера так разрежена, что любая влага мгновенно испарится.

66. сОтношение масс двух океанов — это отношение их объемов (ведь плотность у них одинакова). Объем — это площадь поверхности, умноженная на глубину (для Земли — еще и умноженная на 3/4):

2

2 m океананаЕвропе ⎛ r

⎞ h

Европы

Европы

⎛ 1460 ⎞ 4 100

= ⎜

⎟

= ⎜

⎟ × ×

≈ 2.

m r

3

⎝ 6371⎠ 3 3,5 океана на Земле

⎝ Земли ⎠ h Земли

4

Здесь мы снова имеем право вычислять с точностью до одной значащей цифры, поскольку глубину океана на Европе мы знаем лишь с этой точностью.

На Европе вдвое больше воды, чем на Земле.

Есть гипотеза, что тепло, сохраняющее воду в жидком состоянии, испускает сама Европа. Двигаясь по эллиптической орбите, этот спутник подвергается мощному воздействию переменных приливных сил со стороны

Юпитера, и это постоянное стягивание и растягивание вызывает внутреннее трение, порождающее тепло. Поскольку на Европе такой внушительный запас воды и есть источник тепла, предполагают, что там могла развиться жизнь — возможно, под толстым слоем льда, покрывающего это небесное тело, кто-то плавает. Астрономы ждут не дождутся, когда можно будет отправить на Европу космический зонд и посмотреть, что там, однако пробурить десятки километров льда и добраться до жидкой воды будет, мягко говоря, непростой задачей.

272

Решения

67. Может ли в океане на Европе существовать фотосинтези-

рующая жизнь?

67. аПоток солнечного света составляет

26

L

4×10 ватт

2 b =

=

≈ 50 ватт / м.

2

4 d

π

12×(5,2×1,5×10 м)2

11

Это гораздо больше минимума, необходимого для фотосинтеза, поэтому да, подобные организмы вполне могут фотосинтезировать на таком расстоянии от Солнца, как Европа.