Нил Тайсон - Добро пожаловать во Вселенную

67. bОбщая площадь жидкой воды, соприкасающейся с внешним пространством, составляет 10–7 от общей площади поверхности Европы

4 R 2, то есть площадь = 10–7 4 (1600 км)2 3 км2.

В квадратном километре 106 квадратных метров, поэтому общая мощность, доступная гипотетическим микроорганизмам, — произведение площади и потока солнечного света, который мы вычислили в части а), поделенное на два, поскольку в каждый момент времени Европа освещена лишь наполовину:

мощность = 1 3 106 м2 50 ватт/ м2 = 8 107 ватт.

2

67. сОдин год — это 3 107 секунд; вспомним, что 1 ватт — это 1 джоуль в секунду, и тогда полная энергия, полученная через трещины на

Европе за год, составит

8 107 Дж/с 3 107 с = 2,4 1015 Дж.

Общая углеродная биомасса, созданная за такое время, — это только что полученный результат, помноженный на количество биомассы на джоуль: 2,4 1015 Дж 2 10–10 кг/Дж = 5 105 кг.

Ничего себе — 500 тонн! Немало! А если на один микроорганизм приходится 10–15 кг, получается 5 1020 организмов — внушительное число!

273

Решения

67. dТут все просто: если у нас за год создается 500 000 кг биомассы, за 1000 лет получится в 1000 раз больше, то есть 5 108 кг. Это по-прежнему сущие крохи по сравнению с биомассой на Земле (отношение составит

8

5×10 кг

7

= 5×10−), однако понятно, что это достаточно большое число, 15

10 кг чтобы всерьез приняться за поиски жизни. Считается, что ледяная кора

Европы имеет толщину 10 км, поэтому взять пробу жидкой воды под ней —

задача не из легких, но мы видели, что во льду бывают трещины, поэтому полагают, что иногда жидкая вода выходит на поверхность. Именно туда и стоит послать космический зонд, чтобы поискать признаки жизни.

68. О жидкой воде

Вода сохраняется в жидком состоянии при определенном диапазоне температур; при нормальном давлении на уровне моря этот диапазон составляет 0–100 °C (273–373 К).

Есть верные признаки, что на поверхности Марса когда-то было много жидкой воды, в частности (но не только!)

• русла и дельты рек (пересохшие),

• найденные марсоходами минеральные отложения, которые наверняка возникли из осадков в воде,

• ледники, видимые на поверхности, и

• борозды, выточенные, как считается, водой.

Таким образом, когда-то на Марсе, вероятно, было достаточно тепло, чтобы могла существовать жидкая вода (благодаря атмосфере, создававшей парниковый эффект). Сейчас на Марсе не может быть неподвижной воды: там одновременно и слишком холодно (поэтому вода замерзла бы), и слишком низкое атмосферное давление (поэтому вода вскипела бы). Однако жидкая вода, вероятно, существует под поверхностью планеты.

274

Решения

Европа, спутник Юпитера, как полагают ученые, покрыта жидким океаном глубиной 90 километров, скрывающемся под толстым слоем льда, и этот океан подогревается как приливными силами со стороны Юпитера, так и радиоактивным распадом в ядре самого спутника; трещины на поверхности льда наводят на мысль, что льдины плавают по воде. На

Энцеладе, спутнике Сатурна, обнаружены водяные гейзеры. В Солнечной системе есть и тела, где, как мы знаем, сухо — в том числе Меркурий, Венера и Луна (однако есть надежные, хотя и косвенные свидетельства наличия водяного льда в глубоких лунных кратерах, куда не проникает солнечный свет). Зато кометы состоят в основном из водяного льда, и есть гипотеза, что большая часть воды на Земле попала к нам с кометами, тем более что вода на ранней Земле, вероятно, полностью испарялась из-за столкновений с астероидами.

Планеты, в том числе и Землю, греет Солнце. Температура планеты определяется равновесием между поглощенным солнечным светом и чернотельным (тепловым) излучением, которое испускает планета. Планеты поглощают не весь падающий на них свет, доля отраженного света называется альбедо и обозначается А . Подобным же образом атмосфера удерживает часть инфракрасного излучения, исходящего от Земли (парниковый эффект), и температура поднимается несколько выше, чем без атмосферы. Формула равновесной температуры на планете с альбедо А

на расстоянии d от звезды с температурой поверхности Т и радиусом R

выглядит так:

T

= T (1− A )1 R

4

.

планеты

2 d

Если пренебречь парниковым эффектом, температура на Земле получается гораздо ниже точки замерзания воды. Но если включить в расчеты и альбедо Земли, и парниковый эффект, получится температура 300 К, что очень близко к верному значению. Недра Земли горячие, однако непосред-

275

Решения ственно из недр за счет геотермальных эффектов поверхность получает мало тепла.

Жидкая вода сохранялась на поверхности Земли миллиарды лет, несмотря на то, что в прошлом светимость Солнца была меньше, и это наводит на мысль, что в прошлом парниковый эффект был сильнее, чем теперь.

Главные парниковые газы на Земле — водяной пар, углекислый газ и метан. На Земле идет сложный геохимический цикл углерода с отрицательной обратной связью, который регулирует температуру. Механизм таков: СО 2 растворяется в дожде в атмосфере Земли либо непосредственно в океанах, затем он принимает твердую форму карбоната кальция (СаСО) в резуль-

3 тате биологических (животные, создающие себе раковины) и абиотических процессов. Кальций вымывается из горных пород дождем, обогащенным углекислым газом. Твердый материал осаждается на океанское дно и в конце концов попадает в мантию Земли в результате тектоники плит. Затем он высвобождается при вулканической активности и возвращает СО в атмосферу

2

Земли. Этот цикл действует в масштабах нескольких сотен миллионов лет.

Если на Земле по каким-то причинам становится теплее, выпадает больше дождей, и больше СО вымывается из атмосферы, что уменьшает парнико-

2 вый эффект и понижает температуру. На Марсе тектоника плит прекратилась, поэтому обратная связь прервалась, и в результате парникового эффекта почти нет, и поверхность остыла. Напротив, на Венере вода если и была, то теперь диссоциировала, то есть разложилась на составляющие атомы под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца (озон в земной атмосфере блокирует это ультрафиолетовое излучение, не допуская диссоциации воды). На Венере вторая космическая скорость меньше тепловой скорости водорода, а следовательно, возникший в результате диссоциации водород навсегда потерян для планеты. Поэтому в венерианской атмосфере нет воды и отсутствует механизм захвата СО из атмосферы; атмосфера насыщена

2

СО. Таким образом, парниковый эффект на Венере очень силен, и на ее

2 поверхности стоит чудовищная жара.

276

Решения

69. Сколько на свете звезд?

69. аНам даны параметры Млечного Пути и типичное расстояние между звездами. Один из способов решения задачи — задаться вопросом, сколько звезд поместится в общий объем Млечного Пути. Здесь нужно отталкиваться от того, какой объем занимает одна звезда плюс окружающее пространство. Как это оценить? Если расстояние между звездами равно