Вода на Марсе

Открытия "Викингов"

Проблема воды на Марсе - ее количества, фазового состояния и распределения - была предметом интенсивного изучения как до полета "Викингов", так и в период их работы на Марсе. Даже Персивалю Ловеллу было известно, что эта планета представляет собой пустыню. Однако, насколько высока ее сухость, оставалось неясным вплоть до 1963 г., когда на основании спектрометрических исследований было установлено наличие паров воды в атмосфере Марса и оценено ее количество: примерно 14 мкм в пересчете на осадочную воду, что эквивалентно величине давления пара у поверхности планеты 0,5 мкбар (см. гл. 5). Более поздние наблюдения, проводившиеся как с Земли, так и с космических аппаратов до полетов "Викингов", подтвердили наличие в атмосфере паров воды в концентрации, соответствующей 50 мкм осадочной воды, что равносильно давлению примерно 2 мкбар. (Давление паров воды в земной атмосфере на экваторе в среднем составляет 28 мбар, или 28 000 мкбар.) Как мы видели, чтобы предотвратить испарение чистой воды, необходимо давление пара не менее 6,1 мбар; поэтому с самого начала не вызывало сомнений, что жидкая вода, если она вообще существует на Марсе, даже при высокой концентрации растворенных веществ должна встречаться на поверхности крайне редко.

Исследования по программе "Викинг" значительно расширили наши знания о количестве и распространенности воды в атмосфере Марса. Соответствующие данные были получены для всего марсианского года, причем с несравненно более высоким пространственным разрешением, чем удавалось достигнуть прежде на основе наземных наблюдений; были, кроме того, исследованы области Марса, вообще недоступные для наблюдений с Земли. По измерениям, проведенным "Викингами", количество паров воды колебалось в зависимости от времени года и района в пределах 0 120 мкм осадочной воды (что эквивалентно давлению у поверхности около 4,5 мкбар). Самое высокое содержание было обнаружено в атмосфере над границей северной ледяной шапки, в области 70-80° с.ш., в середине лета, когда эта полярная шапка уменьшалась до своего минимального размера. "Остатки" ее состояли из водяного льда; об этом свидетельствовали содержание паров воды в атмосфере над полярной шапкой, а также ее температура. Летом 1976 г., во время посадки "Викингов", она составляла - 168°С: это слишком высокая температура для полярной шапки, состоящей из замерзшей углекислоты.

По мере перемещения к югу от областей с максимальным содержанием паров воды датчики на космических аппаратах "Викинг" регистрировали все более низкую концентрацию паров в атмосфере. Как видно из рис. 11, содержание воды резко падало, достигая минимума в Южном полушарии. Полученные данные почти не оставляют сомнений в том, что в период лета в Северном полушарии основным источником воды на Марсе является северная полярная область.

Рис. 11. Распределение водяных паров в атмосфере Марса в зависимости от широты в период северного лета. Наблюдения проводились на 180° з.д. в 12.00 и 14.00 ч по марсианскому времени. (Заимствовано из работы [10]; © Американская ассоциация содействия развитию науки, 1976.)

С приближением осени и зимы содержание паров воды в атмосфере Северного полушария уменьшалось, тогда как на юге увеличивалось лишь незначительно. Во время летнего сезона 1977 г. в Южном полушарии содержание воды в южной атмосфере не достигало тех максимальных значений, которые были обнаружены в период северного лета в районе северной полярной шапки. Все лето температура южной полярной шапки оставалась близкой к точке замерзания диоксида углерода; следовательно, эта ледяная шапка не могла служить источником паров воды в атмосфере, даже если бы она и содержала воду, что вполне вероятно, хотя достоверно не установлено. Предполагается, что значительное различие между двумя полярными шапками, обнаруженное при анализе измерений, проведенных "Викингами", отчасти объясняется пыльными бурями, которые возникают только в Южном полушарии в период южного лета. Плотное облако пылевой взвеси, образовавшейся в атмосфере, препятствует нагреванию южной полярной шапки солнечным излучением.

В экваториальных широтах, где температура поверхности часто поднимается выше 0°С (по этой причине в эпоху, предшествовавшую полету "Викингов", эти области казались особенно благоприятными для жизни), содержание паров воды в атмосфере на протяжении всего года не превышало 5-15 мкм осадочной воды. При таких условиях поверхность планеты должна быть чрезвычайно сухой. Действительно, К. Б. Фармер и П. Э. Доме на основании данных, полученных "Викингами", пришли к выводу, что вся область между 35° ю. ш. и 46 с. ш. представляет собой сухую зону, лишенную воды, которая, возможно, сконцентрировалась в полярных областях, играющих роль своего рода водяных ловушек. Вероятно, большие количества воды сохранились вокруг полярных областей под поверхностью в виде постоянных отложений замерзшего льда, или вечной мерзлоты. Вечная мерзлота выходит на поверхность у Северного полюса, образуя остаточную ледяную шапку-нечто вроде верхушки айсберга. Не исключено, что4 подобные отложения водяного льда имеются на поверхности и у Южного полюса, но это пока не доказано.

На Земле, как мы знаем, наблюдается совершенно иная картина: здесь наибольшее количество паров воды сосредоточено в области экватора, а наименьшее-у полюсов. В среднем давление паров воды на нашей планете на широте 0° равно 28 мбар; на широте 70° оно составляет в среднем (для обоих полушарий) 1,3 мбар. Это различие обусловлено тем, что жидкая вода присутствует на Земле на всех широтах, а количество водяных паров в атмосфере зависит главным образом от температуры, которая высока на экваторе и низкая у полюсов. На Марсе вода (в виде льда) сконцентрирована почти полностью в полярных областях, где вследствие низкой температуры содержание паров воды в атмосфере очень невелико. Поэтому, даже когда атмосфера Марса насыщена парами воды, их давление незначительно.

Эти предварительные заключения были подтверждены в ходе исследований, проведенных космическими аппаратами "Викинг". Оказалось, что повсюду на Марсе давление паров воды намного ниже того предела, который необходим для существования на планете жидкой воды. По существу, полученные "Викингами" результаты свидетельствуют, что Марс даже суше, чем ожидалось. До полета "Викингов" считалось, что пары в атмосфере локализованы вблизи поверхности и поэтому оседают ночью в виде инея. Предполагалось, что после восхода Солнца иней может таять, вызывая кратковременное увлажнение почвы, которое, как думали, и обеспечивает возможность существования популяций микроорганизмов. Однако теоретический анализ этой модели, проведенный в 1970 г. Эндрю Ингерсоллом, показал, что из-за низкой температуры, низкого атмосферного давления и состава атмосферы Марса иней на поверхности испарится прежде, чем сможет растаять. Затем К. Б. Фармер доказал, что иней все-таки может таять, если, образовавшись, он покроется тонким слоем принесенной ветром достаточно мелкой пыли, которая замедлит процесс испарения.

Сейчас этот спор представляет чисто академический интерес. Полученные "Викингами" результаты показали, что, во-первых, повсюду в атмосфере Марса пары воды присутствуют в очень низкой концентрации, и, во-вторых, они нелокализованы вблизи поверхности, а независимо от времени года и места в основном сконцентрированы в атмосфере, на высоте 10 км и выше. В этих условиях невозможно осаждение инея в заметном количестве. Хотя фотокамеры обоих спускаемых аппаратов "Викинг" и обнаружили над поверхностью ночные туманы, состоящие из крошечных кристалликов льда, эти частицы слишком малы, чтобы выпасть на почву.

Несмотря на то что эти наблюдения, по-видимому, исключают возможность суточных колебаний количества атмосферных паров воды, сезонное перемещение воды из атмосферы в грунт и обратно, несомненно, происходит, по крайней мере в северной полярной области. Фотокамеры спускаемого аппарата "Викинг-2", совершившего посадку севернее первого, обнаружили на окружающей почве тонкий слой инея, который сохранялся в течение нескольких месяцев зимнего сезона. Это явление удалось наблюдать на протяжении двух зимних сезонов. Иней не мог непосредственно сконденсироваться из атмосферы, поскольку в та время в ней было слишком мало водяных паров. Было высказано предположение, что иней образовался в Южном полушарии, а затем был перенесен частицами пыли в северную полярную область, где на нем сконденсировался углекислый газ; в результате кристаллы льда стали настолько тяжелыми, что выпали на грунт. А после испарения CO₂ остался чистый (водяной) лед. Значительная часть воды перемещается из Южного полушария в Северное благодаря этому или какому-то иному механизму, но большая часть конденсата, ежегодно накапливающегося в арктической области, состоит из той воды, которая совершает сезонные перемещения между почвой и атмосферой.

Рис. 12. Панорама поверхности Марса на широте 85° с. ш. в месте посадки спускаемого аппарата 'Викинг-2', снятая в самом начале исследований в период северного лета. (Национальный центр данных по исследованию космического пространства.)

Рис. 13. На этой фотографии, 'деланной в начале северной зимы, представлена левая часть панорамы, изображенной на рис. 12. Большая часть поверхности теперь покрыта тонким слоем инея. (Национальный центр данных по исследованию космического пространства.)

Водоемы с соленой водой на Марсе?

Посмотрим теперь, может ли существовать на Марсе жидкая вода в виде высококонцентрированных солевых растворов. Наиболее подходящей с этой точки зрения солью является хлорид кальция, если, конечно, он имеется на Марсе. В точке замерзания (-51°С) давление паров насыщенного раствора хлорида кальция равно 34 мбар. Однако, как мы знаем, максимальное давление паров воды в атмосфере Марса составляет только 4,5 мкбар, так что и насыщенный раствор хлорида кальция неизбежно будет испаряться. Для поддержания такого раствора, вероятно, должны время от времени пополняться запасы воды. Предположительно, это может происходить за счет сезонных отложений инея в полярных областях. Но измерения температуры в месте посадки второго спускаемого аппарата показали, что такой раствор будет находиться в твердом (замерзшем) состоянии всю зиму и может растаять только в дневное время летом.

Хлорид кальция, по всей вероятности, редко встречается на Марсе. Это обусловлено теми же причинами, что и его малая распространенность на нашей планете. На Земле кальций существует главным образом в виде известняка (карбоната кальция) и гипса (сульфата кальция). Обе эти соли гораздо хуже растворимы, чем хлорид кальция, и из раствора осаждаются быстрее его. На Марсе, как показал проведенный в рамках научной программы "Викинг" анализ неорганических составляющих почвы, диоксид углерода в изобилии присутствует в атмосфере, а сульфат кальция-в почве. По-видимому, как карбонат, так и сульфат кальция образовывались повсюду, где в прошлом на поверхности Марса существовала жидкая вода. Никакая другая соль, которая могла бы присутствовать на Марсе, не может обеспечить существование на планете жидкой воды.

Жизнь при марсианских температурах

Очевидно, что низкая температура на Марсе-главный фактор, определяющий состояние воды на этой планете. Средняя температура марсианской поверхности - 55°С, а на Земле она равна 15°С (см. табл. 4). Даже на экваторе Марса ночная температура опускается намного ниже нуля, хотя днем она может подниматься до 25°С. Несмотря на то что по земным стандартам температура на Марсе неблагоприятна, сама по себе она не исключает возможности жизни на планете. Известно, что некоторые земные микроорганизмы могут развиваться при температуре ниже - 10°С, сообщалось даже о росте дрожжей при температуре - 34°С. Некоторые виды клеток способны выживать (хотя и не растут) при очень низких температурах - вплоть до - 196°С. Вполне можно предположить, что если бы на Марсе существовал подходящий растворитель, температурные условия не ограничивали бы возможность активной жизни, по крайней мере в некоторых областях планеты.

Выводы

Итак, маловероятно, что жидкая вода в каком-либо виде хотя бы время от времени возникает на Марсе. Марсианская жизнь, если таковая существует, должна мобилизовывать все свои возможности, чтобы извлечь воду из атмосферных паров или льда и использовать ее в качестве растворителя. В этом процессе потребляется значительное количество энергии. На Земле некоторые организмы, обитающие в пустынях, для получения воды действительно используют ее пары. Далее в этой главе мы расскажем, какими способами обитатели пустынь получают жидкую воду.