Состав атмосферы и полярных шапок

Результаты, полученные с помощью аппарата "Маринер-4", недвусмысленно свидетельствуют о том, что диоксид углерода, давление которого, по оценке Каплана, Мюнха и Спинарда, составляет на Марсе 4 мбар, должен быть главным, а не второстепенным компонентом марсианской атмосферы, как считали, исходя из величины давления 85 мбар. (Впоследствии в результате полета "Викингов" было установлено, что содержание диоксида углерода в атмосфере Марса достигает 95 %.) Кроме того, еще до полета "Викингов" в атмосфере Марса были обнаружены пары воды (их наличие установлено по спектрам, полученным на фотопластинке и проанализированным Капланом и его коллегами), а также небольшие количества кислорода, озона, атомарного водорода и монооксида углерода, образовавшихся в результате фотолиза из воды и диоксида углерода под действием солнечного света. Содержание паров воды в атмосфере соответствовало 14 мкм осадочной воды. Это значит, что если бы все пары воды в атмосфере планеты сконденсировались, то образовался бы слой воды толщиной в 14 мкм. При такой концентрации водяных паров их давление у поверхности равно 1/9000 давления диоксида углерода, т. е. 0,5 мкбар[15]; на поверхности Земли давление паров воды в среднем в 10000 раз больше. Подобное несоответствие приводит к важным биологическим последствиям, о которых мы расскажем подробнее в следующих главах.

Значительная концентрация диоксида углерода в марсианской атмосфере побудила Роберта Лейтона и Брюса Мюррея, сотрудников Калифорнийского технологического института, пересмотреть вопрос о составе полярных шапок. В 1966 г. Лейтон и Мюррей опубликовали результаты теоретического исследования теплового баланса Марса, что позволило им предсказать температуру на любой широте планеты в любое время года. Предполагалось, что Марс в среднем холоднее Земли, поскольку он находится дальше от Солнца, поток солнечного излучения, приходящийся на единицу его поверхности, составляет только 43 % от того, что получает Земля. Кроме того, из-за разреженности марсианской атмосферы парниковый эффект там выражен очень слабо. Измерения, проведенные с Земли, показали, что температура на марсианском экваторе днем достигает 25 °C, но ночью падает на 10 °C и даже больше. Поскольку на Марсе нет океана, который мог бы смягчать подобные перепады температуры, предполагалось, что они весьма велики. Хотя температуру полярных шапок не измеряли, считалось, что она не настолько низка, чтобы вымерз диоксид углерода из атмосферы.

Анализ, проведенный Лейтоном и Мюрреем, показал, что зимние температуры в высоких широтах обоих полушарий Марса вполне могут опускаться ниже -128 °C, т. е. точки замерзания диоксида углерода при давлении 4 мбар. Размеры и скорость исчезновения полярных шапок, предсказываемые при условии, что они состоят из твердого диоксида углерода, хорошо согласовались с результатами наблюдений реальных марсианских шапок. Как видим, все сказанное о Марсе не дает оснований утверждать, что марсианские полярные шапки могли сформироваться из паров воды, хотя предполагается, что в их составе есть небольшие количества водяного льда. Поэтому Лейтон и Мюррей сделали вывод, что полярные шапки почти полностью состоят из замерзшего диоксида углерода.

Это предположение подтвердилось в 1969 г., когда к Марсу приблизились еще два космических аппарата: "Маринер-6" и "Маринер-7". Когда "Маринер-7" проходил над южной полярной шапкой, на его борту работали два инфракрасных детектора. Один из этих приборов, радиометр, измерял тепловое излучение поверхности Марса; эти данные позволяли рассчитать температуру поверхности. Другой прибор, спектрометр, регистрировал как температуру, так и спектр отраженного инфракрасного излучения, который можно было использовать для изучения химического состава полярной шапки и атмосферы планеты. Как это принято, первые научные результаты, полученные с аппаратов "Маринер", были оглашены на пресс-конференции, состоявшейся в Лаборатории реактивного движения в Пасадене вскоре после окончания полета: краткое сообщение для прессы по результатам полета "Маринера-7" было сделано 7 августа 1969 г.

От имени группы экспериментаторов, работавших с инфракрасным радиометром, Джерри Нойгебауэр из Калифорнийского технологического института сообщил, что максимальная температура, измеренная прибором, равна -123 °C (согласно более поздним оценкам, она равна -125 °C), т. е. близка к величине, предсказанной Лейтоном и Мюрреем; это хорошо согласуется со значением температуры, рассчитанной на основе предположения, что полярная шапка состоит из замерзшего диоксида углерода. Расчетная температура зависит от давления диоксида углерода в атмосфере: чем оно выше, тем выше температура, и наоборот. При давлении 4 мбар температура по расчетам должна равняться -128 °C, в таком случае измеренная температура (-125 °C) соответствует давлению диоксида углерода 6.4 мбар. Эти два набора данных близки настолько, что их можно было считать совпадающими. Совершенно другой результат получила группа ученых во главе с Джорджем Пайментелом из Калифорнийского университета в Беркли, работавшая с инфракрасным спектрометром. Их данные прежде всего говорили о том, что температура кромки полярной ледяной шапки слишком высока для замерзшего диоксида углерода, откуда исследователи сделали вывод, что по крайней мере кромка состоит из водяного льда. Кроме того, спектрометр зарегистрировал над кромкой шапки (но не над основным ее телом) присутствие газообразного метана и аммиака. Наличие богатых водородом газов на планете. имеющей столь высокоокисленную атмосферу, вызывало удивление, поэтому было высказано предположение, что там происходят какие-то необычные химические процессы. В итоге эта группа исследователей сделала вывод, что у периферии полярной шапки имеется обводненная зона, пригодная для жизни, а метан и аммиак, возможно, являются продуктами биологической деятельности.

Это было воспринято как новое свидетельство в пользу существования жизни на Марсе, и на следующий день о нем сообщалось по всему миру. Как писала по этому поводу газета "Нью-Йорк тайме", "у ученых и журналистов перехватило дыхание". Не мелькнула ли в этот момент перед ними тень Персиваля Ловелла? Или обманчивый образ Марса опять вводит в заблуждение свои многочисленные жертвы? Как бы то ни было. вскоре все недоразумения разрешились: спектрометрическая лабораторная проверка показала, что поглощение, прежде приписываемое метану и аммиаку, может быть обусловлено также твердым диоксидом углерода. Другой результат — более высокая, чем предполагалось ранее, температура кромки полярной шапки, — несомненно означал, что когда космический аппарат двигался по направлению к полярной шапке, в поле зрения его бортового спектрометра попали какие-то участки обнаженного открытого грунта и скал. Естественно, скалы и грунт имеют более высокую температуру, чем сама ледяная шапка. Биологическое объяснение было забыто, и сегодня спектрометрические данные стали одним из убедительных свидетельств того, что полярные шапки Марса состоят из диоксида углерода.

 

 

Темные области

Когда окончательно выяснилось, что сезонно изменяющиеся полярные шапки Марса состоят не из водяного льда. а из замерзшего диоксида углерода, ученым пришлось отказаться от прежнего убеждения, что "полярные моря" и другие подобные явления связаны с сезонными перемещениями воды от одного полюса планеты к другому, как считал Ловелл. Если полярные шапки сформированы из постоянно присутствующего в атмосфере диоксида углерода, а не из паров воды, перемещающихся над поверхностью Марса, то каким образом можно объяснить их сезонные изменения?

Наблюдения с помощью телескопов, проведенные уже после смерти Ловелла, в общих чертах подтвердили данное им описание поверхности планеты. Темная кайма вокруг исчезающей полярной шапки, очевидно, действительно существует, так же как повышается контрастность светлых и темных областей планеты в летнее время. Более проблематично выглядела волна потемнения, но к 1962 г. несколько наблюдателей подтвердили ее наличие, и при этом оказалось, что действительно существует некоторая корреляция между местоположением (широтой) той или иной области поверхности и временем его потемнения или посветления, хотя эта корреляция не столь очевидна, как утверждал Ловелл. Однако в наше время это явление объясняют совершенно иначе. По причинам, о которых мы расскажем в следующей главе, полярная темная кайма не может состоять из жидкой воды. Истинная ее природа точно неизвестна, но, по-видимому, она обусловлена либо действием сезонных ветров, сдувающих пыль с поверхности, либо оптическим эффектом, вызванным наличием зеркального слоя твердого диоксида углерода, о котором говорилось выше. Не исключено также, что этот слой состоит из гидрата диоксида углерода, СО2-6Н2О, на возможное присутствие которого в марсианской полярной шапке указывали Стэнли Миллер и Уильям Смит. Это соединение может образовать слой, лежащий на границе раздела стабильной части шапки, состоящей из водяного льда, и ее сезонно изменяющейся части, сформированной из твердой углекислоты СО2.

В настоящее время изменения в темных областях принято связывать с перераспределением пыли, вызванным сезонными ветрами, которые в большей или меньшей степени обнажают более темную почву. Однако некоторые ученые считают, что наблюдаемые сезонные изменения в окраске поверхности Марса вызваны просветлением светлых областей, а не потемнением темных. Хотя это явление имеет вид волны, распространяющейся по поверхности планеты, до сих пор не ясно, обусловлено ли оно оптическим эффектом, возникающим из-за изменения освещенности и углов наблюдения, или какими-то другими процессами.

Без сомнения, самым убедительным доказательством в пользу существования жизни на Марсе считались полученные Синтоном спектры с ярко выраженными полосами поглощения. Эти спектральные характеристики были зарегистрированы с помощью современных надежных методов, и, казалось бы, их явная взаимосвязь с сезонными изменениями темных областей делала маловероятным какое-либо иное объяснение. Хотя консультативная комиссия НАСА предостерегала против интерпретации синтоновских полос поглощения исключительно на основе биологических явлений, не было предложено каких-либо объяснений, связывающих наблюдаемое поглощение света с неорганическими веществами. Напротив, в единственном опубликованном до 1965 г. сообщении, где была предпринята попытка более четко проследить эту взаимосвязь, высказывалось предположение, что эти полосы поглощения обусловлены наличием на Марсе такого органического соединения, как ацетальдегид. В 1965 г. сотрудники Калифорнийского университета в Беркли Джеймс Ширк, Уильям Хейзелтайн и Джордж Пайментел продемонстрировали, что указанное поглощение лучше объясняется наличием в атмосфере Марса тяжелой воды HDO (в молекуле которой один атом водорода заменен атомом дейтерия), а не органическим веществом. Вскоре после этого в статье Доналда Риа, Брайена О'Лири и Синтона из Калифорнийского университета в Беркли и из Ловелловской обсерватории были представлены убедительные доказательства того, что тяжелая вода, о которой шла речь, присутствует не в марсианской, а в земной атмосфере. (Дейтерий составляет 0,02 % концентрации земного водорода.) Выяснилось, что трудности, возникающие при проведении спектроскопических исследований небольших участков марсианской поверхности, привели к тому, что Синтон неправильно интерпретировал полосы поглощения в спектрах, приписав их действию темных областей поверхности. Таким образом, больше не было оснований считать, что темные области на поверхности Марса отличаются от светлых содержанием в них органического вещества.

 

 

Полет "Маринера-9" и представления о Марсе до полета "Викинга"

Отныне старые, ловелловские представления о Марсе начали быстро разрушаться, и к 1969 г. от них полностью отказались. Из суровой, но тем не менее чем-то напоминающей Землю планеты Марс превратился в негостеприимный, безжизненный мир, скорее похожий на Луну. Оказалось, что этот "новый" Марс имеет разреженную атмосферу. состоящую преимущественно из диоксида углерода, которая, очень слабо поглощая солнечное ультрафиолетовое излучение, не способна защитить от его разрушающего действия поверхность планеты. Безуспешными оказались и все попытки обнаружить здесь такой жизненно необходимый элемент, как азот — газ, наиболее распространенный в земной атмосфере, который, согласно представлениям Ловелла, должен был составлять основную массу атмосферы Марса. Только теперь удалось установить, что содержание азота в ней не превышает 5 %; не исключено, что планета вообще лишена этого газа. С биологической точки зрения наиболее страшной кажется высокая сухость Марса: низкое атмосферное давление у поверхности означает, что вода не может существовать на ней в жидкой фазе — только в виде льда или пара.

Телевизионные изображения планеты, переданные на Землю аппаратами "Маринер-4", "Маринер-6" и "Маринер-7", поразили исследователей не меньше, чем результаты по изучению атмосферы. Марс больше напоминал Луну, чем планету, подобную Земле. При ближайшем рассмотрении практически исчезло даже различие в цвете отдельных областей поверхности и стало невозможно обнаружить связь между морфологией поверхности и ее расцветкой. Даже границы между ставшими уже классическими светлыми и темными областями, казалось бы, столь отчетливые при наблюдении с Земли, были невидимы на фотографиях, которые показывали Марс более детально, чем его когда-либо удавалось рассмотреть прежде. Выяснилось, что светлые области представляют собой относительно ровные участки грунта, покрытые более или менее сплошным слоем светлой пыли. Темные области, как оказалось, соответствуют участкам поверхности, испещренным множеством кратеров и местами покрытым пылью, через которую проглядывает более темный грунт. Что же касается каналов Скиапарелли и Ловелла, то единственным намеком на них являются хаотически расположенные цепочки кратеров и другие естественные детали рельефа, которые глаз воспринимает как линии на поверхности планеты.

К 1970 г. перспектива обнаружения жизни на Марсе стала столь малореальной, что вроде бы не оставалось серьезных оснований для включения биологических вопросов в план исследовательской программы космического аппарата, который предполагалось спустить на поверхность планеты в 1976 г. Однако очередной полет в 1971 г. аппаратов "Маринер" побудил ученых решительно пересмотреть эту точку зрения. Из двух космических аппаратов, запущенных в этом году, "Маринер-9", как и планировалось, вышел на орбиту вокруг Марса и проработал там 11 месяцев. Самым главным его достижением было получение фотографической карты всей поверхности планеты, и, так как теперь удалось увидеть большие области, ранее не доступные наблюдению, выяснилось, что Марс представляет собой не просто новый вариант Луны, как предполагалось прежде, а является планетой со своей собственной сложной историей.

К этому заключению привели несколько удивительных открытий, сделанных при изучении новых деталей марсианской поверхности. Было обнаружено четыре гигантских недействующих вулкана, один из которых самый большой в Солнечной системе. Но наиболее пристальное внимание при изучении поверхности Марса привлекли, несомненно, многочисленные протоки — "русла" протяженностью до сотен километров, которые, по-видимому, были "вырыты" в далеком прошлом планеты текущей водой. (Эти русла не видны с Земли и не имеют никакого отношения к каналам Ловелла.) Обнаружено несколько морфологически различных типов этих образований, но не во всех случаях их происхождение обязательно нужно объяснять текущей водой. Некоторые из них могли, например, возникнуть в результате движения ледников, а другие — потоков лавы. Тем не менее многие из них, а возможно и большинство, сформировались, по-видимому, под воздействием воды. Среди них встречаются извилистые речные русла, образующие вместе со своими притоками типичную систему водостока. Источником воды в этих случаях мог быть лежащий под поверхностью лед (вечная мерзлота), который таял в результате нагревания, вызванного внутренней активностью, а образовавшаяся при этом вода просачивалась на поверхность. Однако рассматриваются и другие источники воды — вплоть до дождей. Некоторые русла начинаются внезапно, имея вид очень крупных образований, как бы созданных внезапным катастрофическим наводнением. Однако в отличие от обычных (земных) систем водостока они часто уменьшаются в своих размерах вниз по течению. Маловероятно, что они возникли под воздействием текущей воды, хотя такая возможность не исключается полностью.

 

Рис. 9. Разветвленные русла на поверхности Марса. (Если эти русла кажутся вам возвышенностями, поверните картинку на 180°.) Эта область расположена к западу от места посадки "Викинга-1". Видны старые кратеры, образованные до наводнения и размытые им, и новые — возникшие позже. Эта и последующие фотографии марсианской поверхности сделаны космическими аппаратами "Викинг" с орбиты. (Национальный центр данных по исследованию космического пространства.)

 

Рис. 10. Долина Нергал в Южном полушарии Марса. Этот удивительный "канал" имеет 800 км в длину. (Карр, 1981; Национальный центр данных по исследованию космического пространства.)

 

Эти русла образовались довольно давно. Судя по числу перекрывающих их ударных метеоритных кратеров, — это древние образования, в основном возраста порядка миллиарда лет. Нет никаких явных доказательств, что на поверхности Марса когда-либо существовали озера или океаны. Реки, вероятно, не впадали в моря, а, насколько можно судить по оставшимся от них следам, просто иссякали — уходили в грунт или испарялись.

Возможность того, что когда-то по поверхности Марса текла жидкая вода, открывала более обнадеживающие перспективы биологических исследований. Если в далеком прошлом природные условия на планете были таковы, что на ее поверхности могла существовать вода, то, возможно, возникла и жизнь. А если так, то, постепенно приспосабливаясь к ухудшающимся условиям, жизнь на планете могла сохраниться и продолжает существовать до сих пор. Вероятность этого, по-видимому, невелика, но в подобных вопросах априорные суждения мало что значат, пока они не проверены экспериментально. Главная цель экспедиции аппаратов "Викинг" заключалась именно в такой экспериментальной проверке. Об этом мы расскажем в следующей главе, наиболее важной с точки зрения поисков жизни на Марсе.

 

Глава 6. Полет "Викингов": вода, жизнь и марсианская пустыня

 

Из всех вещей самая прекрасная вода.

Пиндор. "Первая олимпийская ода" (476 г. до н. э.)

 

 

Предположения и мифы, веками окружавшие Марс и его "обитателей", достигли кульминации летом 1976 г., когда две американские межпланетные станции "Викинг" приблизились к планете. Главная цель полета этих наиболее совершенных в техническом отношении автоматических космических аппаратов состояла в том, чтобы выяснить, существует ли в действительности жизнь на Марсе. Каждая из станций состояла из двух частей: орбитального и спускаемого аппаратов, в целом составлявших четыре самостоятельных блока. После их разъединения орбитальные аппараты продолжали обращаться по своей орбите вокруг планеты, производя фотографирование ее поверхности и глобальные исследования распределения паров воды и температуры поверхности. Они служили также ретрансляторами для передачи информации со спускаемых аппаратов на Землю. Спускаемые аппараты, достигнув поверхности планеты, провели серию исследований, касающихся биологии и морфологии Марса. В этой главе мы остановимся на важных открытиях биологического характера, которые были сделаны с помощью орбитальных аппаратов "Викинг", и познакомимся с результатами, полученными спускаемыми аппаратами.

 

 

Вода, лед и пары воды

В одном решающем отношении Земля не имеет себе аналогов в Солнечной системе — это единственное из вращающихся вокруг Солнца тел, на поверхности которого существует жидкая вода. В самом деле, на Земле имеются не "следы" воды, как на некоторых планетах, а ее необъятные количества. Более 70 % земной поверхности покрыто океанами, которые содержат столько воды, что если распределить се равномерно по всему земному шару, то образуется слой толщиной около 2700 м. Инопланетному наблюдателю трудно было бы поверить, что на таком богатом водой космическом теле, как Земля, существуют обширные области, где вода (точнее, ее нехватка) является фактором, ограничивающим возможность жизни. Тем не менее это так. Пустыни, которые занимают одну пятую площади суши, красноречиво свидетельствуют о важности постоянного присутствия жидкой воды для существования жизни на нашей планете.

До 1963 г. вопрос о наличии воды на Марсе по-прежнему оставался открытым, как, впрочем, и большинство других проблем, связанных с этой планетой. К 1970 г., т. е. за пять лет до запуска "Викингов", наблюдения, проведенные с Земли и с помощью космических аппаратов, со всей очевидностью показали, что недостаток воды — основное препятствие для возникновения любой предполагаемой марсианской биосферы. Полное представление об этом сложилось после полета "Маринера-9" и особенно орбитальных аппаратов "Викинг", которые осуществили съемку распределения паров воды на Марсе в зависимости как от местоположения, так и от времени года. Данные, полученные с помощью инфракрасных спектрометров, установленных на орбитальных аппаратах, показали абсолютную сухость марсианской пустыни. Но чтобы в полной мере оценить этот факт, коротко напомним сначала основные физико-химические свойства воды.

Как и многие другие соединения, вода существует в трех состояниях (или фазах): твердом, жидком и газообразном, легко переходя из одного состояния в другое. Если оставить в комнате открытый сосуд с жидкой водой, то ее молекулы начнут отрываться от поверхности жидкости и улетучиваться, включаясь в состав воздуха комнаты в виде паров. Некоторые из этих молекул могут вновь попасть в сосуд, присоединившись к жидкости, однако в основном их перемещение происходит в одном направлении — в результате жидкость испаряется. Чтобы избежать испарения, сосуд можно закрыть, в этом случае пространство над жидкостью в сосуде вскоре насыщается парами, и тогда скорость конденсации пара станет равной скорости испарения с поверхности жидкости. С этого момента система в целом больше не меняется: в таком случае говорят, что она находится в равновесии. Давление водяного пара при равновесии (статическое давление) можно измерить, причем оно зависит от температуры: чем выше температура, тем выше давление. Например, при 25 °C давление паров в состоянии равновесия равняется 31,7 мбар, или примерно 0,03 атм. Это означает, что система стабильна при 25 °C до тех пор, пока давление паров воды в окружающей среде равняется 31,7 мбар. При более низком давлении пара вода испаряется, а при более высоком пар конденсируется, пока вновь не установится равновесие. При 100 °C статическое давление пара на уровне моря составляет 1013 мбар, 1 атм. При этом в жидкой фазе начинают образовываться пузыри в таком случае говорят, что вода кипит.

Теперь понизим температуру ниже точки замерзания, чтобы жидкая вода превратилась в лед. Так как лед испаряется в сухом воздухе, пары над ним также создают определенное давление. Скажем, при температуре -2 °C давление паров льда равно 1,0 мбар, при -10 °C оно составляет 2,6 мбар. В воздухе с более низким давлением водяного пара лед испаряется, или возгоняется. Если давление водяного пара выше, то пар конденсируется прямо в лед — именно такой процесс происходит при образовании инея в холодную ясную ночь. В обоих случаях осуществляется непосредственный переход пара в твердое состояние или, наоборот, без образования жидкой воды.

В рассмотренных примерах речь идет не более чем о двух фазах: пар и вода либо пар и лед. Увеличивая давление, можно вызвать таяние льда. приведя тем самым воду и лед в состояние равновесия при температурах ниже 0 С без газообразной фазы. Чтобы привести все три фазы в равновесие. необходимо установить температуру около 0 °C, когда равновесное давление паров воды и льда равно 6,1 мбар. Это состояние равновесия трех фаз называется тройной точкой. Для наших целей важно знать величину давления в тройной точке, поскольку это самое низкое давление, при котором может существовать чистая жидкая вода[16].

Все сказанное выше относится лишь к чистой воде, которая редко встречается в природе. Даже дождевая вода содержит растворенные атмосферные газы, а вода озер, рек и океанов — еще и растворенные соли. Наличие в воде растворенных веществ (или какого-то другого растворителя) приводит к уменьшению равновесного давления ее паров, а это в свою очередь влечет за собой понижение температуры точки замерзания и повышение температуры точки кипения. Насколько сильно проявляются эти эффекты, зависит от концентрации растворенных веществ. Концентрированные растворы могут существенно отличаться в этом отношении от чистой воды, а слабые растворы — лишь незначительно. Согласно закону Рауля, давление паров слабых растворов пропорционально доле молекул воды в растворе.

Приведем несколько примеров. Давление паров над раствором сахарозы, в котором на одну молекулу сахара приходится 99 молекул воды (16 %-й раствор по массе), почти точно составляет 99 % давления паров над чистой водой при той же температуре. Температура точки замерзания такого раствора равна — 1,10 °C. Морская вода представляет собой сложную смесь солей, равновесное давление паров составляет 99 % их давления над чистой водой при той же температуре, а замерзает морская вода при температуре -1,87 С. Из закона Рауля следует, что 98 % молекул в морской воде приходится на долю чистой воды. (Если речь идет об электролитах, как в данном случае, то ионы рассматриваются как молекулы.) Большое Соленое озеро, как и многие другие соленые озера, насыщено или почти насыщено хлоридом натрия (NaCl бытовая поваренная соль). Давление паров насыщенного раствора NaCl составляет 75 % от давления паров чистой воды, а его температура замерзания близка к -21 °C. Доля молекул воды в этом растворе составляет 82 % (при такой высокой концентрации солей закон Рауля выполняется лишь приближенно). Другая соль. хлорид кальция (CaCl2), редко встречается в природе, но в одном из водоемов Антарктиды (о нем говорится далее в этой главе) она содержится в насыщающей концентрации. Температура точки замерзания насыщенного раствора хлорида кальция равна -51 С, а равновесное давление его паров при комнатной температуре составляет только 31 % от равновесного давления паров чистой воды.

Как видно из этих примеров, добавление к воде растворенных веществ стабилизирует жидкую фазу при более низких (по сравнению с чистой водой) значениях давления пара и температуры. До экспедиции "Викингов" предполагалось, что благодаря этому эффекту на поверхности Марса может существовать жидкая вода. Далее мы проанализируем это предположение наряду с некоторыми данными о биологической пригодности воды, содержащей высокие концентрации растворенных веществ.

 

 

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 28000 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 О 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 °C: 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 °C (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, что 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.