Н Хоровиц - Поиски жизни в Солнечной системе
Возможность того, что когда-го 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 приспосабли ваясь к ухудшающимся условиям, жизнь на планете могла сохраниться и продолжает существовать до сих пор. Вероят ность этого, по-видимому, невелика, но в подобных вопросах априорные суждения мало что значат, пока они не проверены экспериментально. Главная цель экспедиции аппаратов "Ви кинг" заключалась именно в такой экспериментальной про верке. 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
Предположения и мифы, веками окружавшие Марс и его "обитателей", достигли кульминации летом 1976 г., когда две американские межпланетные станции "Викинг" прибли зились к планеге. Главная цель полета этих наиболее совер шенных в техническом отношении автоматических космиче ских аппаратов состояла в том, чтобы выяснить, существует ли в действительности жизнь на Марсе. Каждая из станций состояла из двух частей: орбитального и спускаемого аппа ратов, в целом составлявших четыре самостоятельных бло ка. После их разъединения орбитальные аппараты продол жали обращаться по своей орбите вокруг планеты, произво дя фотографирование ее поверхности и глобальные исследо вания распределения паров воды и температуры поверхнос ти. Они служили также ретрансляторами для передачи ин формации 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 биологи ческого характера, которые были сделаны с помощью орби тальных аппаратов "Викинг", и познакомимся с результата ми, полученными спускаемыми аппаратами.
Вода, лед и пары воды
В одном решающем отношении Земля не имеет себе аналогов в Солнечной системе-это единственное из вра щающихся 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 океана ми, 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 облас ти, где вода (точнее, ее нехватка) является фактором, ограни чивающим возможность жизни. Тем не менее это так. Пус тыни, которые занимают одну пятую площади суши. красно речиво свидетельствуют о важности постоянного присутст вия жидкой воды для существования жизни на нашей плане те.
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 очевид ностью показали, что недостаток воды-основное препятст вие 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 инфра красных спектрометров, установленных на орбитальных ап паратах, показали абсолютную сухость марсианской пусты ни. 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 улетучивать ся, включаясь в состав воздуха комнаты в виде паров. Некоторые из этих молекул могут вновь попасть в сосуд. присоединившись к жидкости, однако в основном их переме щение происходит в одном направлении-в результате жид кость 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 жид кости. С этого момента система в целом больше не меняется: в таком случае говорят, что она находится в равновесии. Давление водяного пара при равновесии (статическое давле ние) можно измерить, причем оно зависит от температуры: чем выше температура, тем выше давление. Например, при
25 ^С давление паров в состоянии равновесия равняется 31,7 мбар, или примерно 0,03 атм. Это означает, что система стабильна при 25"С 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 ЮО^С 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 испаря ется в сухом воздухе, пары над ним также создают опреде ленное давление. Скажем, при температуре -20 С давление паров льда равно 1,0 мбар, при -10"С 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 образо вания 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 газооб разной фазы. Чтобы привести все три фазы в равновесие. необходимо установить температуру около 0"С, когда равно весное 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*.
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 раство ренных веществ (или какого-то другого растворителя) приво дит к уменьшению равновесного давления ее паров, а это в свою очередь влечет за собой понижение температуры точки
* Следует помнить, что величина 6.1 мбар относится к давле нию паров воды, а не к общему атмосферному давлению, как иногда указывают.
'замерзания и повышение температуры точки кипения. На сколько сильно проявляются эти эффекты, зависит от кон центрации растворенных веществ. Концентрированные раст воры могут существенно отличаться в этом отношении от чистой воды, а слабые растворы-лишь незначительно. Со гласно 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 замерза ния такого раствора равна - 1,10"С. Морская вода представ ляет 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 рассмат риваются как молекулы.) Большое Соленое озеро, как и многие другие соленые озера, насыщено или почти насыщено хлоридом натрия (NaCI бытовая поваренная соль). Давле ние паров насыщенного раствора NaCI составляет 75% от давления паров чистой воды, а его температура замерзания близка к -21 С. Доля молекул воды в этом растворе составляет 82% (при такой высокой концентрации солей закон Рауля выполняется лишь приближенно). Другая соль. хлорид кальция (CaCI^), 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 хло рида кальция равна -51 С, а равновесное давление его паров при комнатной температуре составляет только 31 % от равновесного давления паров чистой воды.
