НАУЧНЫЕ СТАТЬИ
Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы!
Исследование Солнечной Системы - Научные Статьи
Загадки Атмосфер
Метан на Титане и Марсе

    Присутствие метана в атмосферах Марса и Титана, одна из удивительных загадок нашей Солнечной системы, может свидетельствовать как о возможности жизни, так и о наличии необычной геологической активности на планетах. Из всех планет, входящих в Солнечную систему, только на Земле и Марсе существовали и существуют условия, подходящие для жизни. Красная планета похожа на нашу во многих отношениях. История формирования и климатические условия на раннем этапе развития, водные резервуары, вулканические и прочие геологические процессы и здесь и там протекали одинаково. Могли быть также и микроорганизмы. Когда говорят о внеземной биологии, то кроме Марса обычно упоминают крупнейший спутник Сатурна - Титан, где в далеком прошлом условия способствовали формированию молекулярных предшественников жизни. Некоторые исследователи считают, что жизнь там была и, возможно, сохранилась.
    Подозрения усилились, когда в атмосферах Марса и Титана обнаружился метан (CH4) - газ, обычно связанный с живыми организмами. На Красной планете его немного, а вот Титан буквально «залит» им. И уж если не для Титана, то для Марса биологические источники метана столь же вероятны, как и геологические. Поэтому либо мы не одиноки во Вселенной, либо Марс и Титан обладают большими подповерхностными запасами воды и неожиданно высокой геохимической активностью. Установив источник CH4 на этих телах, мы многое сможем понять в эволюции и зарождении жизни на планетах земного типа в Солнечной системе и за ее пределами. Метана много на планетах-гигантах - Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне, где он возник как продукт химической переработки вещества протосолнечной туманности. Но на Земле он редок: его содержание в атмосфере нашей планеты - всего 1750 частей на миллиард по объему (ppbv). На 90–95% он имеет биологическое происхождение. Травоядные копытные животные, такие как коровы и козы, испускают пятую часть годового выброса метана: его вырабатывают бактерии в их желудках. Другими важными источниками служат термиты, рис-сырец, болота, фильтрация естественного газа (это продукт прошлой жизни) и фотосинтез растений. Вулканы вносят в общий баланс метана на Земле менее 0,2%, но источником и этого газа могут быть организмы прошлых эпох. Промышленные выбросы метана незначительны. Таким образом, обнаружение метана на планете типа Земли указывает на наличие там жизни.

Когда в атмосфере Марса был обнаружен метан, у ученых появилась надежда найти на планете следы жизни. Поверхность Красной планеты почти не меняется, на мерное течение времени указывают лишь облака (белые), окутывающие ее редкой полупрозрачной пеленой. Наличие метана указывает на активную подповерхностную биологическую и геохимическую активность.
    В 2003 г., после того как метан был обнаружен в атмосфере Марса, астрономы серьезно задумались о существовании жизни на Красной планете.
    Чтобы разрушение метана солнечным светом возмещалось, он должен непрерывно рождаться в результате некоего процесса. Ученые располагают двумя гипотезами. Первая - марсиане: особые, испускающие метан бактерии, наподобие тех, что живут в желудке коров. Вторая - реакция между горными породами и водой, называемая серпентинизацией; на Земле она возникает в черных курильщиках на морском дне. Запуск нового марсохода, намеченный на 2009 г., может решить проблему.
    В 2005 г. зонд «Гюйгенс» показал, что на Титане метан играет ту же роль, что вода на Земле. Данный газ может быть продуктом геохимических реакций в огромном подземном океане.

    В 2003 и 2004 гг. три независимые группы исследователей объявили об обнаружении метана в атмосфере Марса. Используя спектрограф высокого разрешения на Гавайском инфракрасном телескопе и на телескопе «Джемини-Юг» в Чили, группа Майкла Мумма (Michael Mumma) из Годдардского космического центра NASA обнаружила CH4 в концентрации более 250 ppbv. Но эта величина не постоянна ни по поверхности, ни во времени. Витторио Формизано (Vittorio Formisano) с коллегами из Римского Института физики и межпланетных исследований (я также был в составе группы) проанализировали тысячи инфракрасных спектров, полученных орбитальным аппаратом «Марс Экспресс». Мы обнаружили гораздо меньше метана, в пределах от 0 до 35 ppbv, в среднем по планете - около 10 ppvb. Наконец, Владимир Краснопольский с коллегами из Католического университета Америки, используя Канадо-франко-гавайский телескоп, подтвердили, что среднее содержание метана около 10 ppbv, но из-за слабости сигнала и низкого разрешения они не смогли проследить изменения вдоль поверхности планеты.
    Группа Мумма сейчас перепроверяет свои данные, пытаясь понять, почему получается такая большая концентрация. Пока я считаю значение 10 ppbv наиболее вероятным: оно соответствует содержанию метана (в молекулах на единицу объема) в 25 тыс. раз ниже, чем в земной атмосфере.
    Несмотря на то что астрономы обнаружили на Титане метан еще в 1944 г., интерес к этому далекому и холодному спутнику возник только 36 лет спустя, когда в его атмосфере нашли азот, важный компонент биологических молекул, таких как аминокислоты и нуклеиновые кислоты. Планета с метано-азотной атмосферой и давлением у поверхности в 1,5 атм. вполне годится для формирования предшественников живых молекул, а возможно, и самой жизни. Метан играет главную роль в поддержании плотной азотной атмосферы Титана и служит источником углеводородного тумана, поглощающего инфракрасное излучение Солнца и нагревающего стратосферу приблизительно до 100° C. Он также является источником водорода, столкновения молекул которого приводят к нагреву тропосферы на 20° С. Если метан когда-нибудь иссякнет, температура понизится, газообразный азот сконденсируется, и атмосфера осядет. Уникальная природа Титана исчезнет навсегда: туман и облака рассеются, прекратятся метановые дожди, вероятно, поливающие сейчас его поверхность, высохнут озера и лужи. Завеса с поверхности Титана спадет, и она станет доступной земным телескопам. Титан потеряет свою загадочность и превратится в обычный спутник с разреженной атмосферой.
    Может ли метан на Марсе и Титане иметь такое же биологическое происхождение, как на Земле, или же его источником служат вулканы или падения комет и метеоритов? Наши знания о геофизических, химических и биологических процессах позволяют сузить диапазон возможных источников метана на Марсе, причем многие из этих аргументов применимы и к Титану.

ФОТОГРАФИИ с ТИТАНА и МАРСА
Еще в 1940-х гг. астрономы заметили метан в атмосфере Титана, но его поверхность скрыта плотным туманом. Экспедиция «Кассини-Гюйгенс» показала влияние метана на рельеф местности.
На радарных изображениях северного полушария Титана, полученных «Кассини», видны огромные пространства, вероятно, покрытые жидким метаном. Жидкость выглядит темной (здесь синяя) по той же причине, что и мокрая дорога кажется нам ночью темной: гладкая поверхность отражает свет фар, и он не слепит нам глаза. Напротив, сухой пересеченный рельеф выглядит светлым (желто-коричневый). Разрешение этих изображений - 500 м.
Русла рек мог образовать жидкий метан, стекавший с горных хребтов (высотой около 200 м) вниз к озеру (ныне сухому). Ветвистые притоки указывают, что метан выпадал на склоны в виде дождя. «Гюйгенс» получил эти снимки с высоты 6,5 км при спуске в атмосфере.

Данные по метану ЗемляМарс Титан
Концентрация в атмосфере 1750 ppbv10 ppbv 5%
Время жизни молекул в атмосфере (годы)10 60010 млн.
Темп воспроизводства для поддержания постоянного количества (тонн в год) 515 млн.12525 млн.
Основные источникиКрупный рогатый скот, термиты, рис-сырец, природный газ Бактерии? Реакция воды с породой в водоносных слоях почвы? Реакция воды с породой в подповерхностном океане


   (1) Туман в верхнем слое атмосферы Титана состоит из углеводородов, образующихся из метана под действием солнечного света, и напоминает городской смог. Разрешение этого изображения - 700 м.
   (2) Поверхность Титана никто не видел, пока зонд «Гюйгенс» не сел на нее в январе 2005 г. Она выглядит как скучное каменистое поле, но это не «камни», а куски льда размером с кулак. При внимательном взгляде на них видны следы течения жидкости - возможно, метана. Когда зонд нагрел почву, метан стал растекаться.

В атмосфере Марса метана лишь несколько объемных частей на миллиард (ppbv), поэтому увидеть его, как на Титане, невозможно. Метан образуется и разрушается в результате различных наблюдаемых процессов.

   (3) Пылевые смерчи, напоминающий этот, который был замечен зондом Mars Global Surveyor 21 мая 2002 г., трут частицы пыли друг о друга, создавая статическое электричество, способное разрывать молекулы воды, приводя к рождению перекисей, разрушающих метан.
   (4) Подповерхностные потоки воды в прошлом на Марсе могут объяснить этот белесый край (стрелка), замеченный недавно зондом Mars Reconnaissance Orbiter. Течение воды сквозь горные породы осаждает минералы, как налет в водопроводных трубах. Когда окружающие скалы размываются, минералы остаются, создавая гребень. Подповерхностная вода может способствовать образованию метана.

    Наша первая задача - определить скорость образования или поступления метана, что связано со скоростью ухода газа из атмосферы. На высоте 60 км и более над поверхностью Марса солнечный ультрафиолет разрушает молекулы метана. Ниже в атмосфере атомы кислорода и радикалы гидроксила (OH), образующиеся при расщеплении молекул воды ультрафиолетовым излучением, окисляют метан. Без пополнения он постепенно исчез бы из атмосферы. «Время жизни» CH4 - т.е. время, необходимое для уменьшения концентрации газа в e раз (примерно втрое) - составляет 300–600 лет и зависит от количества водяного пара, которое претерпевает сезонные изменения и меняется в зависимости от интенсивности излучения по ходу цикла активности Солнца. На Земле данные процессы определяют время жизни метана примерно в 10 лет. На Титане, где ультрафиолетовое излучение Солнца гораздо слабее и кислородосодержащих молекул гораздо меньше, этот газ может «жить» 10–100 млн. лет (не так долго в геологическом отношении).
    На Марсе время жизни CH4 достаточно велико, а значит, ветры и диффузия успевают равномерно перемешать газ в атмосфере. Поэтому наблюдаемые изменения его количества над планетой озадачивают. Они могут означать, что газ поступает из локального источника или исчезает в локальных стоках, одним из которых может быть химически активная почва, ускоряющая уход метана. Если такие стоки существуют, то для поддержания наблюдаемого количества потребуются еще более мощные источники. Вторая задача - разработка возможного сценария образования метана. И лучше начать с Красной планеты из-за низкого содержания метана на ней. Если механизм не сможет объяснить даже столь малое количество, то он и подавно не годится для объяснения появления метана на Титане. При времени жизни 600 лет требуется ежегодно производить немногим более 100 т CH4, чтобы поддерживать его среднюю концентрацию в атмосфере на уровне 10 ppbv. Это примерно одна четырехмиллионная доля скорости производства метана на Земле.
    Как и на нашей планете, вулканы на Марсе, видимо, не вносят большого вклада в образование метана: они потухли сотни миллионов лет назад. Если бы они были там его источником, то они должны были бы выбрасывать огромное количество двуокиси серы, а в атмосфере Марса серы нет. Вклад космических источников скорее всего минимален. Масса микрометеоритов, падающих в течение года на Марс, оценивается в 2 тыс. т. Менее 1% этой массы составляет углерод, но даже если он сильно окислен, то не может стать существенным источником метана. В веществе комет метана около 1%, но на Марс кометы падают в среднем раз в 60 млн. лет. Поэтому они доставляют около одной тонны метана в год, что менее 1% от требуемого количества.Быть может, комета врезалась в Марс в недалеком прошлом? Она могла бы доставить на Марс много метана, количество которого со временем снизилось до наблюдаемого значения. Столкновение с кометой диаметром 200 м 100 лет назад или с кометой 500-метрового диаметра 2 тыс. лет назад могло снабдить Марс достаточным количеством метана для того, чтобы его современное содержание было 10 ppbv. Но эта гипотеза сталкивается с трудностями: метан распределен по планете неравномерно. Время, необходимое для полного перемешивания метана в атмосфере, составляет несколько месяцев. Так что, если бы кометы были источником метана, то он был бы распределен равномерно, а наблюдения показывают, что это не так.
    У нас остались два вероятных источника метана - гидрогеохимический и микробиологический. Гидротермальные гейзеры (черные курильщики) впервые были обнаружены на Земле - в разломе Галапагос в 1977 г. Позже океанографы находили их на многих срединноокеанических хребтах. Лабораторные опыты показали, что в условиях этих гейзеров ультрамафические силикаты (богатые железом или магнием породы, такие как оливин и пироксен) могут вступать в реакции с выделением водорода (серпентинизация). В свою очередь, реакция H2 с частицами углерода, двуокисью углерода, окисью углерода или углеродистыми минералами может стать источником метана. В процессе участвуют водород, углерод, металлы (как катализатор), тепло и давление, существующие и на Марсе. Серпентинизация может происходить как при высокой температуре (350–400° С), так и при средней (30–90° С). Такая температура, по расчетам, должна быть в предполагаемых водоносных слоях на Красной планете.
    Несмотря на то что низкотемпературная серпентинизация может быть источником метана на Марсе, нельзя забывать и про биологические источники. На Земле микроорганизмы-метанопродуценты выделяют CH4 как побочный продукт, поглощая водород, двуокись углерода или окись углерода. Если такие организмы обитали на Марсе, они должны были найти готовые залежи питательных веществ: водород (возникший в процессе серпентинизации или просочившийся в почву из атмосферы) плюс двуокись углерода и окись углерода (в грунте или из атмосферы).
    Возникший при серпентинизации или рожденный микробами метан может сохраняться в устойчивом клатрате - химической структуре, удерживающей молекулы метана как зверей в клетке перед их испарением в атмосферу, которое может происходить постепенно, через трещины и разломы либо путем редких вулканических извержений. Никто не знает, насколько эффективно формируется клатрат и легко ли он разрушается. Зонд «Марс Экспресс» обнаружил повышенную концентрацию метана над областями, содержащими подповерхностный водяной лед. Объяснить эту связь могут как геологический, так и биологический сценарии. Водоносные пласты подо льдом могут быть средой обитания живых существ или местом сбора метана гидрогеохимического происхождения. Для выбора между геологическим и биологическим сценариями нужны дополнительные данные.

Океан Титана

    На первый взгляд кажется, что происхождение метана на Титане понять легче: спутник формировался в туманности, окружавшей Сатурн, атмосфера которого богата этим газом. Но пока данные свидетельствуют о синтезе метана на самом Титане, а не о захвате его спутником со стороны. Зонд «Гюйгенс» совместной экспедиции «Кассини-Гюйгенс» (NASA и Европейское космическое агентство) не нашел в атмосфере Титана ни ксенона, ни криптона. Если образовавшие Титан планетезимали содержали метан, то они должны были содержать и данные тяжелые благородные газы. Их отсутствие указывает, что метан скорее всего образовался на Титане. Но его присутствие здесь столь же загадочно, как и на Марсе, а в некотором смысле еще более непонятно из-за его количества (5% объема). Наиболее вероятным источником, как и на Красной планете, является серпентинизация при низкой температуре. Кристоф Сотин (Christophe Sotin) из Нантского университета во Франции и его коллеги полагают, что под поверхностью Титана может быть океан жидкой воды. Растворенный аммиак, действующий как антифриз, удерживает ее от замерзания. В их модели океан начинается с глубины 100 км под поверхностью и тянется вглубь на 300–400 км. В прошлом распад радиоактивных элементов и остаточное тепло от формирования Титана могли растопить почти весь лед, поэтому океан мог простираться от поверхности до каменного ядра.
    В этих условиях при реакции воды с горной породой может выделяться водород, который, вступая в реакцию с двуокисью, окисью или частицами углерода, а также с другими углеродистыми веществами, образует метан. По моим оценкам, такой процесс мог бы обеспечить наблюдаемое его количество на Титане. Образовавшись, метан мог оставаться в устойчивом клатрате и постепенно проникать в атмосферу через вулканические извержения или при взрывах, вызванных падением метеоритов. Опускаясь в атмосфере Титана, «Гюйгенс» обнаружил аргон40 - изотоп, рождающийся при радиоактивном распаде калия40, залегающего глубоко в каменном ядре Титана. Т.к. период полураспада калия40 равен 1,3 млрд. лет, наличие аргона40 в атмосфере свидетельствует о медленном просачивании газа из недр. Кроме того, оптические и радарные изображения поверхности демонстрируют признаки криовулканизма - гейзерных выбросов водно-аммиачного льда, что подтверждает вынос вещества из глубин. Поверхность выглядит относительно молодой и свободной от кратеров, что свидетельствует о том, что она покрывается веществом из внутренних слоев. Оценки скорости перекрытия поверхности новым веществом свидетельствуют, что при этом метана должно выноситься достаточно для компенсации фотохимических потерь. На Титане CH4 играет ту же роль, что вода на Земле: он заполняет жидкостью впадины, создает облака и дожди, поддерживая полный метановый цикл. Итак, множество фактов указывают на то, что этот газ из недр Титана достаточно легко может поступать на поверхность, а затем испаряться в атмосферу.
    Какова же роль биологических источников CH4 на Титане? Кристофер Маккей (Christopher McKay) из Эймсовского исследовательского центра NASA и Хезер Смит (Heather Smith) из Международного космического университета в Страсбурге (Франция), а также Дирк Шульце-Макух (Dirk Schulze-Makuch) из Вашингтонского государственного университета и Дэвид Гринспун (David Grinspoon) из Денверского музея природы и науки считают, что ацетилен и водород могут служить пищей для метанопродуцентов даже на экстремально холодной поверхности Титана (-179 °C). Если данный биогенный процесс и отличается от процессов, происходящих в метанопродуцентах и им подобных организмах на Земле или на Марсе, то лишь тем, что ему не требуется вода, которую на поверхности Титана заменяют жидкие углеводороды.
    Пока эти гипотезы полностью не подтверждаются. Данные «Гюйгенса» исключают глубинные источники ацетилена; такое соединение должно образовываться только из атмосферного CH4. Таким образом, круг замыкается: для производства метана (микробами) нужен метан. Более того, его содержание на Титане столь велико, что метановый цикл работает с ускорением, сильно истощая имеющиеся питательные вещества. Поэтому гипотеза о биологическом происхождении данного газа на Титане менее привлекательна, чем история его возникновения на Марсе. Тем не менее некоторые ученые считают, что этот спутник в прошлом или даже сейчас может быть обитаем. Он получает достаточно солнечного света для превращения азота и метана в молекулы-предшественники жизни. В подповерхностном водно-аммиачном рассоле с некоторой примесью метана или других углеводородов может существовать весьма дружественная среда для сложных молекул и даже живых организмов. В далеком прошлом, когда Титан был молод и остывал, жидкая вода могла течь по его поверхности.

Следующим шагом к решению проблемы метана на Марсе будет Mars Science Laboratory, запуск которого запланирован на 2009 г. Его приборы должны измерить изотопный состав метана (ключ к его происхождению) и проанализировать почву в поиске органических соединений (их строение покажет, какие химические или биологические процессы производят или разрушают метан).

    Для выявления источников метана на Марсе и Титане принципиально важно измерить отношение изотопов углерода. На Земле жизнь развивалась, предпочитая углерод12, которому нужно меньше энергии для молекулярных связей, чем углероду13. При соединении аминокислот получаются белки с явным дефицитом тяжелого изотопа. Живые организмы на Земле содержат в 92–97 раз больше углерода12, чем углерода13. А в неорганических соединениях такое отношение составляет 89,4.
    Однако на Титане зонд «Гюйгенс» определил соотношение изотопов по метану равным 82,3 - меньше, чем обычное значение для земных неорганических соединений, что свидетельствует об отсутствии жизни в знакомой нам форме. Некоторые ученые предполагают, что жизнь на Титане может отличаться от земной, или же отношение изотопов неорганических соединений может быть другим.
    Еще никто не определял отношения изотопов углерода на Марсе: такие измерения очень сложны при столь низкой концентрации газа (в миллиард раз ниже, чем на Титане). Марсоход NASA «Марсианская научная лаборатория», который прибудет на планету в 2010 г., сможет точно измерить отношение изотопов углерода в метане и, может быть, в других органических веществах. Будут также исследованы твердые и газообразные образцы для поиска признаков жизни, таких как повышенное отношение содержания метана к тяжелым углеводородам (этан, пропан, бутан) и хиральность (избыток правовращающих или левовращающих органических молекул).
    Почему же органические вещества исчезли с поверхности Марса? Ведь метеориты, кометы и частицы межпланетной пыли должны были в течение последних 4,5 млрд. лет занести на планету органику. Быть может, виноваты марсианские пылевые смерчи, штормы и обычная сальтация (перенос ветром частиц пыли). Данные процессы создают статическое электричество, которое может запустить химический синтез перекиси водорода. Как любой антисептик, перекись водорода стерилизует поверхность и уничтожает органику. К тому же, окислитель мог бы усилить разрушение метана в атмосфере, поэтому для объяснения наблюдаемого количества понадобился бы более мощный источник.
    Итак, именно метан поддерживает уникальные условия на Титане. А его присутствие на Марсе дает нам повод размышлять о жизни на этой планете. Будущие исследования обоих небесных тел должны показать, обитаемы ли они. Поэтому планетологам необходимо изучить все источники, запасы и изотопный состав этого газа, а также других органических молекул и маркеров в газообразных и твердых средах. Даже если окажется, что метан не имеет отношения к жизни, его изучение поможет многое узнать о формировании, климатических условиях, геологии и эволюции Марса и Титана.
Перевод: В.Г. Сурдин (Автор: Сушил Атрея (Sushil K. Atreya)) 

Газовые котлы для отопления частного дома в миассе: газовые котлы миасс.
2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru