Поиски жизни в Солнечной системе - Н Хоровиц

Спектроскопические результаты, полученные в 1930-х го дах, показали наличие в атмосфере Венеры значительного количества диоксида углерода и полное отсутствие паров воды. Однако возможность обнаружения водяных паров выше верхней границы облачного покрова выглядела сомни

тельной даже при наличии океана на поверхности; поэтому представление о влажной Венере не было отброшено. Выска зывались и другие предположения о характере облачного покрова: от неорганической пыли до углеводородного смога. Только в 1973 г. несколько исследователей независимо друг от друга пришли к выводу, что свойства облаков Венеры лучше всего объясняются, если предположить, что они состо ят из мельчайших капель концентрированной (70-80%) сер ной кислоты; теперь это представление общепринято. Тем временем исследования с применением современных радио астрономических методов и с помощью автоматических межпланетных космических аппаратов показали, что средняя температура поверхности Венеры достигает примерно 450 С, атмосфера под облачным покровом почти целиком (на 96%) состоит из углекислого газа, а давление у поверхности составляет 90 атм. При такой температуре на поверхности Венеры жидкая вода существовать не может.

Высокая температура Венеры обусловлена так называе мым парниковым эффектом: солнечный свет, достигая по верхности, нагревает грунт и вновь излучается в виде тепла, но из-за непрозрачности атмосферы для инфракрасного (теп лового) излучения тепло не может рассеиваться в космиче ское пространство. По некоторым соображениям, Венера могла когда-то иметь океан, который в дальнейшем испа рился при разогревании планеты. Под действием солнечного ультрафиолета водяные пары в основном разрушились, во дород улетучился, а оставшийся кислород окислил углерод и серу на поверхности до диоксида углерода (углекислого газа) и оксидов серы. По-видимому, то же самое случилось бы и на Земле, если бы она находилась так же близко к Солнцу, как Венера. Тот же сценарий позволяет объяснить, почему диоксид углерода на Венере находится в атмосфере, тогда как на Земле он существует главным образом в виде карбо натов, составляющих горные породы. На нашей планете диоксид углерода растворяется в океанах, осаждаясь затем в виде карбонатных минералов кальцита (известняка) и доло мита; на Венере же, где океанов нет, он остается в атмосфере. Подсчитано, что если бы весь углерод на поверхности Земли и в ее коре превратился в диоксид углерода, масса этого газа оказалась бы близкой к той, которая обнаружена на Венере.

Хотя в далеком прошлом условия на Венере могли быть более благоприятными для жизни, чем сейчас, совершенно очевидно, что существование жизни там невозможно уже в течение длительного времени.

Планеты-гиганты

Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, часто называемые планетами-гигантами, намного больше Земли (см. табл. 4). Среди этих гигантов Юпитер и Сатурн являются супергиган тами: на них приходится свыше 90% общей массы планет Солнечной системы. Низкая плотность этих четырех небес ных тел означает, что они состоят главным образом из газов и льда, а поскольку водород и гелий не в состоянии преодо леть действие их гравитационных полей, предполагается, что по своему элементному составу они должны быть больше похожи на Солнце (см. табл. 3), чем на планеты земной группы. Наблюдения Юпитера и Сатурна, проведенные с Земли и с космических аппаратов "Пионер" и "Вояджер", показали, что обе планеты действительно состоят преиму щественно из водорода и гелия. Вследствие большой удален ности Уран и Нептун изучены слабо, но водород и водород содержащий газ метан (СН^) были обнаружены в их атмос ферах с помощью спектрометрических наблюдений с Земли. Предполагается, что в их атмосферах может присутствовать и гелий, но пока его не удается обнаружить из-за отсутствия спектрометров нужной чувствительности. По этой причине сведения, изложенные в этой главе, относятся в основном к Юпитеру и Сатурну.

Многое из того, что известно о структуре планет-гиган тов, основано на теоретических моделях, которые благодаря простому составу планет можно рассчитать достаточно точ но. Результаты, полученные на основе моделей, говорят о том, что в центре как Юпитера, так и Сатурна находится твердое ядро (более крупное, чем земное), давление в кото ром достигает миллионов атмосфер, а температура 12000 25000 С. Такие высокие значения температуры соответству ют результатам наблюдений: они свидетельствуют, что обе планеты излучают примерно вдвое больше тепла, чем полу чают от Солнца. Тепло поступает к поверхности планет из внутренних областей. Поэтому температура уменьшается с удалением от ядра. У верхней границы облачного покрова, видимой "поверхности" планеты, температуры составляют -150 и -180 С соответственно на Юпитере и Сатурне. Окружающая центральное ядро зона представляет собой толстый слой, состоящий преимущественно из металлическо го водорода-особой электропроводящей формы, которая образуется при очень высоких давлениях. Далее следует слой молекулярного водорода в смеси с гелием и небольшими

количествами других газов. Около верхней границы водо родно-гелиевой оболочки лежат слои облаков, состав кото рых определяется локальными значениями температуры и давления. Облака, состоящие из кристаллов водного льда, а местами, возможно, из капелек жидкой воды, образуются там, где температура приближается к 0 С. Несколько выше находятся облака гидросульфида аммония, а над ними (при температурах около -II 5 С)-облака, состоящие из амми ачного льда.

Структура описанной модели предполагает, что по соста ву Юпитер и Сатурн близки к Солнцу: содержание водорода как по объему, так и по молекулярному составу атмосферы достигает 90% и выше. По всей видимости, в атмосферах такого типа углерод, кислород и азот присутствуют почти исключительно в составе метана, воды и аммиака соответст венно. Эти газы, как и водород, были обнаружены на Юпитере, причем все, за исключением воды, в количествах, характерных для атмосфер типа солнечной. При изучении спектров атмосфер вода не обнаруживается в достаточных концентрациях-возможно, потому, что ее пары конденсиру ются в сравнительно глубоких атмосферных слоях. Кроме этих газов в атмосфере Юпитера зарегистрированы оксид углерода и следы простых органических молекул: этана (С^Н^), ацетилена (С^Нд) и цианистого водорода (HCN). Причина яркой окраски облаков Юпитера-красной, желтой, голубой, коричневой-пока до конца не выяснена, но как теоретические, так и лабораторные исследования приводят к заключению, что за это ответственны сера, ее соединения и, возможно, красный фосфор.

Наличие в верхних слоях атмосферы Юпитера паров воды и простых органических соединений, а также вероят ность образования облаков, состоящих из капелек жидкой воды в более глубоких слоях, позволяет говорить о возмож ности химической эволюции на планете. На первый взгляд кажется, что в восстановительной атмосфере Юпитера сле дует ожидать присутствия сложных органических соедине ний, подобных тем, которые образуются в экспериментах, моделирующих добиологические условия на примитивной Земле (см. гл. 3), а возможно, даже характерных для этой планеты форм жизни. Действительно, еще до того, как в атмосфере Юпитера были обнаружены пары воды и органи ческие молекулы. Карл Саган высказал предположение, что "из всех планет Солнечной системы Юпитер априори пред ставляет наибольший интерес с точки зрения биологии".

Однако реальные условия на Юпитере не оправдали этих надежд.

Атмосфера Юпитера не способствует образованию слож ных органических соединений по ряду причин. Во-первых, при высоких температурах и давлениях, характерных в ос новном для очень сильно восстановленной среды этой плане ты, водород разрушает органические молекулы, превращая их в метан, аммиак и воду. Как указывал много лет назад Юри, умеренно восстановленные, т. е. частично окисленные, газовые смеси более благоприятны для осуществления важ нейших органических синтезов, чем сильно восстановленные. Например, синтез глицина, самой простой аминокислоты, не может протекать самопроизвольно в газовой смеси, состоя щей из воды, метана и аммиака, присутствующих в атмосфе ре Юпитера. Он невозможен без поступления свободной энергии (6). С другой стороны, без доступа энергии синтез может происходить в не столь сильно восстановленной газовой смеси, состоящей из окиси углерода, аммиака и водорода (7):

При наличии свободного водорода, что характерно для атмосфер планет, подобных Юпитеру, в соответствии с уравнением (6) реакция может идти справа налево, что означает, что глицин будет самопроизвольно превращаться в метан, воду и аммиак. Пока не было поставлено эксперимен тов с реальными газовыми смесями, которые позволили бы выяснить, сколько различных реакций органического синтеза может протекать в атмосфере Юпитера. Подобные экспери менты трудновыполнимы, поскольку требуют очень высоких концентраций водорода и гелия. Однако уменьшение кон центрации одного из компонентов (в некоторых публикациях о результатах экспериментов по синтезу органических ве ществ в газовых смесях, имитирующих атмосферу Юпитера, сообщается о том, что водород вообще не использовался) ставит под сомнение ценность полученных результатов.