Эрик Асфог - Когда у Земли было две Луны. Планеты-каннибалы, ледяные гиганты, грязевые кометы и другие светила ночного неба

Кто-то подарил нам великолепную саморегулирующуюся машину. Но мы, как парень с перочинным ножом, пытающийся разобрать швейцарские часы, портим в ней важнейшие обратные связи: потеря отражающего ледяного покрова приведет к уменьшению защиты от Солнца и повышению уровня метана – парникового газа, который может высвобождаться в результате таяния вечной мерзлоты. Планеты дышат размеренно, но иногда чихают.

Лед тает под давлением по той же причине, по какой он плавает в воде: в твердом состоянии вода занимает больший объем (имеет меньшую плотность), чем в жидком. Таким образом, сжимая лед в меньший объем с помощью давления, вы переводите его из твердого состояния в жидкое без изменения температуры. Именно поэтому тонкие лезвия коньков скользят без трения: весь вес конькобежца сконцентрирован на узком поперечном сечении, контактирующем со льдом, то есть все давление приходится на эту полоску, так что твердый лед на мгновение превращается тут в жидкость, снова затвердевая за лезвием конька.

На высоких широтах Марса преобладают скованные льдом грунты, а на полюсах лежат ледяные шапки. Там, в полутора километрах ниже уровня поверхности, радары зафиксировали эхо мелкого водоносного пласта, который некоторые называют «озером». Его присутствие неудивительно, если учесть, что жидкая вода может существовать на глубине, даже если поверхность скована льдом. Чем глубже вы продвигаетесь, тем выше температура и давление; когда-нибудь вы достигнете зоны, где рассол может скапливаться, не замерзая. Хотя он, вероятно, токсичен для любых живых существ, которых мы знаем и любим, именно там могла развиваться особая марсианская жизнь, когда поверхность планеты стала холодной, суровой и негостеприимной. Есть ли там, внизу, микроорганизмы, адаптировавшиеся к рассолу? Сейчас делается первый шаг в исследовании подземного пространства Марса; когда я пишу эти строки, созданный NASA посадочный модуль «Инсайт» пытается пробурить там пятиметровую скважину, но работа идет непросто. Чтобы пройти в тысячу раз глубже, на Марсе потребуется инфраструктура, о которой мы пока не можем и мечтать.

Далее существует переход из твердого состояния в пар – сублимация, или возгонка. Кубики льда в глубине морозильника исчезают, оставляя после себе мутные кусочки, которые никому не посоветуешь класть в свой бокал. Что же происходит с водой из таких кубиков льда, мумифицированных рыбных палочек или забытой замороженной стручковой фасоли? Она оседает изящным слоем измороси на стенках морозильной камеры и собирается в более крупные, грубые частицы. Такие эксперименты, регулярно проводимые в холодильниках студенческих общежитий, – на самом деле совсем неплохая аналогия для процессов, происходящих на поверхности богатых льдом грунтов Марса, а также на кометах и ледяных спутниках, хотя для того, чтобы сделать все правильно, вам нужно создать в морозильной камере почти полный вакуум, перевести ее в куда более холодный режим и облучать все ультрафиолетом. На свете есть с десяток планетологических лабораторий, где ученые занимаются именно этим [153].

Каждое агрегатное состояние воды имеет характерную систему расположения молекул H-O-H: они могут быть заперты в кристаллических решетках (льды различной структуры [154]) или свободно двигаться (жидкое или газообразное состояние); бывает, что и в твердом состоянии молекулы не упорядочены (аморфное твердое тело). Агрегатных состояний воды на самом деле множество – их открыто уже более десятка (и да, лед-девять существует, хотя он далеко не так интересен, как о нем рассказывает Курт Воннегут [155]). Добрая половина этих состояний имеет определенное значение в геологии.

Поскольку вода на планетах никогда не бывает чистой, эти состояния являются лишь идеальными. Добавьте побольше соли, и вы получите рассол с высокой плотностью и более низкой температурой замерзания. Именно поэтому зимой тротуары посыпают солью: она понижает температуру замерзания, так что воде труднее превратиться в лед. Планета, состоящая из соленой воды, может иметь очень своеобразную геологию. Одно из таких небесных тел – Тефия, другое – Япет с его хребтом, придающим ему форму грецкого ореха. Некоторые считают, что эти горы возникли, когда спутник треснул от внутренних напряжений, возникших при замерзании воды. (Другие полагают, что это результат конвекции льда и рассола. Есть и мнение, что так получилось из-за спутника второго порядка, который когда-то обращался вокруг Япета, но потом упал на него. Да, Япет действительно странный.)

При большем давлении, характерном для еще больших глубин, особенно если еще подбавить жара, структура силикатных минералов может меняться так, что в нее встраиваются молекулы воды. Получатся гидросиликаты, такие как тальк и серпентин, где вода включена в молекулярную структуру, или же глины. На самых крупных из спутников (Ганимеде и Титане) гидросиликаты могут преобладать в мантиях, которые перемешивались термальной конвекцией или гигантскими столкновениями во время аккреции. Жидкая вода в тесном контакте с теплыми горными породами и достаточное количество геотермальной энергии, чтобы запустить глобальную конвекцию, – достаточно ли этого для зарождения жизни? Солнечный свет тут бы не помешал, но раз на Земле существуют организмы, обитающие глубоко под землей, он не является обязательным.

Наличие жидкой воды в месте соприкосновения поверхности и атмосферы (то есть открытый океан) действует как ограничительный механизм для температуры на планете. Именно это позволяет удерживать физические условия на Земле в районе тройной точки. Пока существуют океаны, температура на планете не поднимется выше точки кипения, потому что любая избыточная энергия уйдет на превращение воды в пар. (Когда вода испарится полностью, все поменяется: посмотрите на Венеру.) Подобным же образом, до тех пор, пока открытый океан не замерз, в масштабе всей планеты температура не опустится ниже точки замерзания [156]. Кроме того, колебания температуры ограничивает атмосферная влажность, подобно тому, как наша кожа испаряет влагу в сухой воздух, чтобы охладить тело [157].

Если поверхность раздела жидкости и пара исчезает (то есть океана больше нет), всем ограничениям приходит конец: температура может подниматься и опускаться до любых значений. Когда холодным сырым вечером столбик термометра начинает опускаться, в определенный момент похолодание прекращается (хотя из-за сырости кажется, что очень холодно). Пар из воздуха начинает конденсироваться на мокрых ветках, оседать в виде росы на траву и на одежду. Может даже начать моросить мелкий дождь. Все эти капли и аэрозоли имеют свои поверхности. Температура перестает снижаться, когда формирование таких поверхностей приводит к равновесному значению величины, называемой энтропией (я не буду даже пытаться объяснять это понятие, потому что сам его не понимаю). В сухой пустыне, где относительная влажность составляет примерно 20 %, в теплый солнечный день температура может резко упасть ниже точки замерзания, потому что там нет воды, чтобы конденсироваться. Кроме того, поскольку там меньше молекул H 2O, поглощающих инфракрасное излучение, тепло уходит быстрее, и по ночам очень холодно. Такого не может случиться в тропических джунглях или на богатой углекислым газом болотистой планете.