Ситуация с водой в Космосе
О том, где берут воду на космических станциях, мы рассказывали в одной из предыдущих статей. Российским космонавтам ее доставляют транспортными кораблями, американцы – не брезгуют пить очищенные стоки. Обеспечить небольшое количество людей при наличии регулярного источника в виде планеты Земля с большими запасами воды – это одно, но сейчас интересен более глобальный вопрос: есть ли естественная влага на других планетах.
Будем надеяться, что проблема межпланетного переселения землян не превратится в острую необходимость в обозримом будущем, хотя есть ученые, которые всерьез рассматривали такое решение, как единственно возможное для выживания человечества. Одним из поклонников такой теории был сам Стивен Хокинг – знаковый ученый в области физики и космологии. В свое время он согласился принять участие в проекте поиска внеземных цивилизаций, хотя и считал возможные контакты с инопланетными представителями опасными.
Внеземная вода и где ее искать
Наша планета особенна не только большим количеством воды, но и тем, что большая ее часть пребывает в жидком агрегатном состоянии, а ледниковые шапки сконцентрированы возле полюсов. Есть гипотезы, что на других планетах и спутниках может быть воды, но пока они остаются неподтвержденными. Теории о наличие или отсутствие воды ученые делают, опираясь на фотографии с разведывательной техники и телескопов. На деле предположения часто расходятся с действительностью. Например, моря и океаны на Луне оказались кратерами и базальтовыми равнинами.
Вода во Вселенной содержится в больших количествах рассеянных облаков, в составе недосягаемых экзопланет и ледниковых образованиях. Достоверно подтверждено существование единственного жидкого океана в нашей Солнечной системе. Он находится на Европе – спутнике Юпитера. На других космических телах ученые могут предполагать наличие воды, основываясь на косвенных доказательствах.
Издалека планета Венера кажется серебристой из-за окутывающих ее облаков. Долгое время ученые считали, что на ней возможна жизнь, и ее атмосфера отдаленно напоминает земную. После отправки на поверхность первых космических аппаратов были получены неутешительные результаты. В атмосфере обнаружены остатки воды, но когда и в каком количестве она была на планете остается неизвестным. Сейчас из-за высокой температуры жизнь на ней невозможна.
Многообещающим претендентом на статус планеты обетованной долгое время был Марс. В телескоп показалось, что на маленькой красной планете заметной сети каналов. Одна теория предполагала, что это следы речных течений, другая версия была про искусственное происхождение. Сумятицу в попытки создать карту этих углублений и изучить их подробнее вносило то, что полученные в разное время изображения не совпадали друг с другом. Потом оказалось, что это была просто визуальная иллюзия, ручьи оказались не жидкими, а песчаными. Данные с искусственного спутника были еще менее перспективными. Следы воды нашлись в грунте и вечной мерзлоте, но для поддержания жизни ее было недостаточно.
После появления современной техники и совершенствования методов исследования информация опять поменялась. Сейчас достоверно подтверждено наличие больших объемов воды под поверхностью – в криосфере. Из-за климатических условий наверху вечная мерзлота не сохраняется, а испаряется. По расчетам, если бы удалось расплавить все запасы воды на Марсе, то она бы покрыла планету слоем в 35 метров. Самая высокая концентрация льда сосредоточена на полюсах.
В 2018 году с помощью радара получена сенсационная новость – на Марсе нашли озеро жидкой воды. Оно расположено на глубине 1500 метров под вечными льдами Южного полюса. Это первый стабильный водоем, обнаруженный на этой планете. Его глубина должна составлять не менее нескольких дециметров, иначе бы его просто не заметил радар «Марсис».
Ученые пока не имеют технической возможности изучать отдаленные планеты Солнечной системы, поэтому остается только строить гипотезы, о том есть ли моря на Уране и Нептуне.
Неземная вода на небольших планетах и спутниках
Параллельно с исследованием крупных планет, ученый не сбрасывали со счетов их спутники. И как оказалось не зря. Сначала реальное существование воды было выявлено на спутнике Юпитера Европе. Позже она нашлась на Ганимеде и Энцеладе. Естественно, что она выглядит не так, как мы привыкли. Обширные океаны и моря соленой воды спрятаны глубоко под коркой вечных льдов.
Такие выводы исследователи сделали после того как нашли на поверхности Энцелада крошечные силикатные кристаллы. Они начали моделировать различные процессы, при которых произошло формирование гранул. Наиболее вероятная теория развития событий основывается на том, что на глубине нескольких десятков километров есть горячий океан, который периодически пробивает лед горячими гейзерами и выплескивается на поверхность. Затем вода замерзает и испаряется, оставляя после себя только мелкие фрагменты растворенных силикатов.
Гидротермальные гейзеры есть и на нашей планете. Их рассматривают, как потенциальные «колыбели жизни». США планирует совершить экспедицию, в ходе которой станет возможным найти жизнь на Европе. Водные прогнозы по Ганимеду просто невероятные – местный океан превышает по объему суммарное количество воды всех земных океанов, несмотря на то, что его диаметр составляет 5200 километров.
Пристальное внимание вызывает и карликовая планета Церера из астероидного пояса Солнечной системы. Интерес к малышке диаметром всего 950 километров объясняется тем, что телескоп Гершеля обнаружил на ней огромные запасы воды в форме льда. Если его растопить, то чистой воды получится больше, чем на Земле.
Почему ученые ищут именно воду
Без воды Солнечная система просто не смогла бы образоваться в своем нынешнем виде и составе. Мощное излучение вокруг Солнца создало чистый ареал без признаков планетного вещества, а за пределами этой зоны начали формироваться планеты. От количества воды в веществе зависело то, какой станет планета: твердой (Земля, Марс, Меркурий) или газовой (Юпитер). В нашем случае вода постепенно переместилась в внешний слой и стала частью атмосферы.
К самим сухим планетам относится Меркурий. Он настолько давно потерял атмосферу, что сейчас не осталось ее следов. Диапазон температур колеблется от 437С до -185С. Вероятность найти воду крайне низка. Ученые предполагают, что если она и сохранилась, то только в приполярных кратерах, под мощным слоем реголита, куда никогда не попадают солнечные лучи.
Поскольку любая форма жизни невозможна без воды, наличие таковой на планете свидетельствует о том, что, теоретически, Земля – это не единственная обжитая планета. Проблема в том, что вся обнаруженная вода находится в твердом агрегатном состоянии или заперта под многокилометровыми массами вечной мерзлоты. В таком виде она недоступна для поверхностных форм жизни, а наличие или отсутствие живых существ подо льдами такой толщины определить невозможно.
Идеи колонизации других планет и астероидов вызывают прения среди энтузиастов и скептиков. Практично настроенные специалисты высказывают мнение, что на Земле есть огромные необжитые территории, которые помогут решить демографическую проблему. А если уж и пытаться обжиться в другой среде, то логичнее было бы начать с местных океанов. Подытоживая: Землю человечество уже достаточно загрязнило, природные ресурсы сильно исчерпались, поэтому хочется продолжить свое победное шествие за ее пределами.Для того, чтобы получить HTML код нажмите на кнопочку Исходник и скопируйте код в буфер.
Тяжелая вода, бассейны у АЭС – чем опасны для окружающей среды?
Источник
Как во Вселенной появилась вода: доказанные теории и новые гипотезы
Москва, 03.07.2021, 20:45:31, редакция ПРОНЕДРА.РУ, автор Елена Даниленко.
Вода в космосе — сложная тема. Обнаружение воды на Марсе стало очень громким открытием. Однако, она находится там в основном в состоянии пара. Есть также немного льда. На Красной планете очень низкое давление, которое не способствует существованию жидкой воды.
Так где же найти воду во Вселенной? Учёные уверяют, что в нашей солнечной системе воды довольно много. НАСА в настоящее время готовится отправить зонд в космос, чтобы исследовать Юпитер и ответить на вопрос, сколько там воды.
Кроме того, существует гипотеза, что воду в космосе можно найти на пяти планетах за пределами Солнечной системы.
Вода во Вселенной появилась значительно раньше, чем предполагалось
До сих пор в научном мире считалось, что вода во Вселенной должна была появиться сравнительно недавно, после нескольких поколений звёзд. Недавние исследования показывают, что это произошло намного раньше. И воды было довольно много.
Ранее учёные полагали, что первое поколение звёзд, появившихся после Большого взрыва, образовалось из водорода и гелия. Большинство других, более тяжёлых элементов, образовалось намного позже. Они появились в ядрах первых звёзд. И только после прекращения существования некоторых звёзд, сверхновые, более тяжелые элементы мигрировали в межзвёздное пространство. Это создало газовые облака. Но они были бедны кислородом — его содержание было намного ниже, чем, например, в нашей сегодняшней Галактике.
Последнее исследование группы учёных из Гарвардского университета и Тель-Авивского университета, опубликованное в Astrophysical Journal Letters, доказывает, что, несмотря на относительно небольшое количество кислорода, вода во Вселенной образовалась намного раньше, чем мы думали. Вполне вероятно, что водяной пар появился, спустя миллиард лет после Большого взрыва. По мнению команды учёных, это может иметь решающее значение для определения сроков существования жизни во Вселенной.
«Разработанная нами теоретическая модель позволяет предположить, что молекулярные облака молодых галактик могли содержать значительное количество водяного пара. И это несмотря на то, что уровень кислорода там в тысячи раз ниже, чем в нашей галактике сегодня», — сказал Шмуэль Бяли, аспирант в Тель-Авивском университете и ведущий автор исследования.
Учёные проанализировали химические реакции, которые могут создать воду в среде с низким содержанием кислорода. Оказалось, что при температуре около 27 градусов по Цельсию этот процесс чрезвычайно эффективен, и даже при недостатке кислорода может быть получено значительное количество воды.
«Вселенная была теплее, чем сегодня, и поэтому газовые облака не могли охлаждаться», — считает профессор Амиэль Штернберг из Тель-Авивского университета.
«Температура космического фонового излучения была намного выше. Плотность газа также была выше, чем сейчас», — добавляет профессор Ави Леб из Гарвардского университета.
Поскольку ультрафиолетовое излучение разрушает молекулы воды, потребовалось несколько сотен миллионов лет, чтобы достичь баланса между его образованием и распадом. Команда в своих исследованиях доказала, что такой же баланс существует и сегодня.
Также астрономы доказали, что можно производить большое количество газообразной воды без необходимости использования других тяжёлых элементов. Они рассчитали, сколько воды могло образоваться в молекулярных облаках, которые затем породили звёзды и планетные системы. В будущих исследованиях они обещали сосредоточиться на том, сколько воды в форме межзвёздного льда содержится в нашей галактике.
Как появилась вода на Земле: новая теория
Учёные из Университета штата Аризона выдвигают новую теорию о происхождении воды на нашей планете. По их мнению, кроме воды, принесённой на нашу планету астероидами и, возможно, кометами, на Земле может быть вода, которая поступила непосредственно из газов, оставшихся в окрестностях Солнца после его образования. Водород, накопленный в недрах нашей планеты, способствовал созданию водных масс.
Гипотеза, описанная в статье, опубликованной в «Журнале геофизических исследований: планеты», может помочь проанализировать процессы формирования внесолнечных планет, и оценить шансы на существование условий, способствующих возникновению там жизни.
Вопрос о том, откуда взялась вода на Земле, и как она сюда попала, по сей день не даёт учёным покоя. В настоящее время считается, что она была доставлена на нашу планету из космоса после падения на её поверхность астероидов и комет. Об этом свидетельствуют результаты исследований изотопов. Но, как утверждают учёные из Университета штата Аризона, это может быть только частью правды.
«Кометы содержат много льда и могут быть источником воды, а астероиды содержат совсем немного воды», — говорит профессор Стивен Деш.
«Вода состоит из водорода и кислорода. Поскольку на Земле много кислорода, практически любой источник водорода можно считать источником воды», — добавляет он.
Водород был ведущим компонентом солнечной туманности, из которой в конечном итоге образовалась наша звезда и планеты нашей системы.
Новый анализ показывает, что, по крайней мере, часть воды на Земле может поступать непосредственно из облаков пыли и газа, которые остались после того, как наша звезда сформировалась в так называемой солнечной туманности. Кроме того, благородные газы из-под поверхности Земли имеют изотопный состав, унаследованный от солнечной туманности.
Чтобы объяснить это, ученые сформулировали новую теоретическую модель формирования Земли. Согласно этому, миллиарды лет назад пропитанные водой астероиды стали появляться вокруг Солнца, в то время как большая часть газа и пыли осталась в форме солнечной туманности. Астероиды столкнулись и соединились вместе, создавая, среди прочего, планеты. Газы из солнечной туманности, включая водород и благородные газы, затем гравитационно притягивались к этим крупным объектам. Водород с более низким содержанием дейтерия, чем в воде, изначально присутствующей в астероидах, растворился в жидкой лаве и проник внутрь, а также в ядро из расплавленного железа. Водород, богатый дейтерием, остался на поверхности.
К счастью, похоже, что менять школьные учебники не нужно. Новая теория касается образования только около 2 процентов воды на Земле. Новая теория, однако, может иметь последствия для нашего понимания формирования планет вне Солнца и нашей оценки шансов, что в космосе будут созданы условия для возникновения жизни.
Источник
Вода необычной формы может быть самой распространенной во Вселенной
Недавно в Лаборатории лазерной энергетики в Брайтоне, штат Нью-Йорк, один из самых мощных лазеров в мире ударил в каплю воды, создав ударную волну, которая подняла давление в этой воде до миллионов атмосфер, а температуру — до тысяч градусов. Рентгеновские лучи, которые прошли через эту каплю в ту же долю секунды, явили человечеству первый проблеск воды в таких экстремальных условиях. Они показали, что вода внутри ударной волны не стала перегретой жидкостью или газом. Нет, вода замерзла.
Оказывается вода может быть разной формы.
Как это ни парадоксально, атомы воды замерзли, образовав кристаллический лед. Впрочем, как и предполагали физики, щурящиеся на экраны в соседней комнате.
«Вы слышите выстрел и в тот же момент видите, что произошло нечто интересное», говорит Мариус Милло из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, который проводил эксперимент вместе с Федерикой Коппари.
Что происходит с водой при высоком давлении и температуре?
Результаты этой работы, опубликованной на этой неделе в Nature, подтверждают существование «суперионного льда», новой фазы воды с причудливыми свойствами. В отличие от знакомого вам льда, который можно найти в морозилке или на северном полюсе, суперионный лед черный и горячий. Кубик такого льда весил в четыре раза больше обычного. Впервые его существование было предсказано более 30 лет назад, и хотя его до сих пор никогда не видели, ученые считают, что он может быть одним из самых распространенных видов воды во Вселенной.
Даже в Солнечной системе большая часть воды, вероятно, находится в форме суперионного льда — в недрах Урана и Нептуна. Ее больше, чем жидкой воды в океанах Земли, Европы и Энцелада. Открытие суперионного льда могло бы решить старые загадки о составе этих «ледяных гигантов».
Ученые уже обнаружили восемнадцать изумительных архитектур ледяного кристалла, включая гексагональное расположение молекул воды в обычном льду (Ih). После льда-I, который бывает двух форм, Ih и Ic, остальные формы пронумерованы от II до XVII по порядку открытия. Да, «лед-9» на самом деле существует, но его свойства вовсе не такие, как в романе Курта Воннегута «Колыбель для кошки».
Суперионный лед может претендовать на мантию льда-XVIII. Это новый кристалл, но есть в нем одно но. Все ранее известные водяные льды состоят из неповрежденных молекул воды, в которых один атом кислорода связан с двумя атомами водорода. Но суперионный лед, как показывают новые измерения, не такой. Он существует в некоем сюрреалистическом лимбе, наполовину твердом, наполовину жидком. Отдельные молекулы воды распадаются. Атомы кислорода формируют кубическую решетку, но атомы водорода разливаются свободно, протекая, как жидкость, через жесткую клетку кислорода.
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
Специалисты говорят, что обнаружение суперионного льда оправдывает компьютерные прогнозы, которые могут помочь физикам-материаловедам создавать будущие вещества с индивидуальными свойствами. А обнаружение этого льда требовало сверхбыстрых измерений и точного контроля температуры и давления, что стало возможным лишь в условиях усовершенствования экспериментальных методов.
«Все это было невозможно сделать, скажем, пять лет назад», говорит Кристоф Зальцманн из Лондонского университетского колледжа, который открыл льды-XIII, -XIV и XV. «Это безусловно окажет огромное влияние».
Физик Ливия Бове из Национального центра научных исследований Франции считает, что поскольку молекулы воды распадаются, это не совсем новая фаза воды. «Это новое состояние вещества, что довольно впечатляюще».
Паззлы на льду
Физики охотились за суперионным льдом много лет — с тех пор, как примитивная компьютерная симуляция Пьерфранко Демонтиса в 1988 году предсказала, что вода примет эту странную, почти металлическую форму, если вытолкнуть ее за пределы карты известных ледяных фаз.
Моделирование показало, что под сильным давлением и теплом молекулы воды разрушаются. Атомы кислорода заключаются в кубическую решетку, а «водород начинает прыгать из одного положение в кристалле в другое, снова и снова», говорит Милло. Эти прыжки между узлами решетки настолько быстрые, что атомы водорода — которые ионизируются, превращаясь, по сути, в положительно заряженные протоны — ведут себя как жидкость.
Появилось предположение, что суперионный лед будет проводить электричество, как металл, и водород будет выполнять роль электронов. Наличие этих свободных атомов водорода также усилит беспорядочность льда, его энтропию. В свою очередь, увеличение энтропии сделает лед стабильнее, чем другие виды ледяных кристаллов, в результате чего его температура плавления вырастет.
Представить это все легко, поверить в это — трудно. Первые модели использовали упрощенную физику, продираясь сквозь квантовую природу реальных молекул. Более поздние симуляции добавили больше квантовых эффектов, но все же обошли фактические уравнения, необходимые для описания взаимодействия нескольких квантовых тел, которое слишком трудно рассчитать. Вместо этого они полагались на приближения, что повышало вероятность того, что весь этот сценарий окажется миражом в симуляции. Эксперименты, между тем, не могли создать необходимое давление и произвести достаточно тепла, чтобы расплавить это прочное вещество.
И когда все уже забросили эту затею, планетологи высказали собственные подозрения, что у воды может быть суперионная фаза льда. Примерно в то же время, когда эта фаза была впервые предсказана, зонд «Вояджер-2» отправился во внешнюю солнечную систему и обнаружил что-то странное в магнитных полях ледяных гигантов Урана и Нептуна.
Поля вокруг других планет Солнечной системы, по-видимому, состоят из строго определенных северного и южного полюса, без особой другой структуры. Похоже на то, как будто в них находятся стержневые магниты, выровненные по осям вращения. Планетологи связывают это с «динамо»: внутренними областями, где проводящие жидкости поднимаются и вращаются по мере вращения планеты, создавая огромные магнитные поля.
Напротив, магнитные поля, исходящие от Урана и Нептуна, выглядели более громоздкими и сложными, с более чем двумя полюсами. Они также не выравнивались близко к вращению своих планет. Один из способов добиться такого состоит в том, чтобы каким-то образом ограничить проводящую жидкость, ответственную за динамо, лишь тонкой внешней оболочкой планеты, вместо того, чтобы позволить ей проникнуть внутрь ядра.
Но идея о том, что эти планеты могут иметь твердые ядра, не способные генерировать динамо, не казалась реалистичной. Если бы вы пробурили эти ледяные гиганты, вы бы ожидали сперва столкнуться со слоем ионной воды, которая будет течь, проводить токи и участвовать в динамо. Кажется, что даже более глубокий материал, даже при более высоких температурах также будет жидкостью, но это наивно. У планетологов есть шутка о том, что недра Урана и Нептуна вообще не могут быть твердыми. Но оказалось, что могут.
Взрывной лед
Коппари, Милло и их команда собрали кусочки головоломки вместе.
В более раннем эксперименте, опубликованном в феврале 2018 года, физики получили косвенные доказательства существования суперионного льда. Они сжимали каплю воды комнатной температуры между заостренными концами двух ограненных алмазов. Когда давление поднялось примерно до гигапаскаля, что примерно в 10 раз больше, чем на дне Марианской впадины, воды превратилась в тетрагональный кристалл, лед-VI. На 2 гигапаскалях он перешел в лед-VII, более плотную, кубическую форму, прозрачную для невооруженного глаза, которая, как недавно обнаружили ученые, также существует в крошечных карманах внутри природных алмазов.
Такая вода нам привычна.
Затем, используя лазер OMEGA в Лаборатории лазерной энергетики, Милло и его коллеги нацелились на лед-VII, все еще зажатый между алмазными наковальнями. Когда лазер ударил по поверхности алмаза, он испарил материал вверх, по сути отбросив алмаз в противоположном направлении и отправив ударную волну через лед. Команда Милло обнаружила, что сверхсдавленный лед расплавился при температуре порядка 4700 градусов по Цельсию, как и ожидалось для суперионного льда, и что он проводил электричество, благодаря движению заряженных протонов.
После того, как прогнозы относительно объемных свойств суперионного льда подтвердились, новое исследование Коппари и Милло должно было подтвердить его структуру. Если вы хотите подтвердить кристаллическую природу, вам нужна дифракция рентгеновских лучей.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
Их новый эксперимент пропустил лед-VI и лед-VII вообще. Вместо этого команда просто разбила воду между алмазными наковальнями лазерными выстрелами. Спустя миллиардные доли секунды, пока ударные волны проникали сквозь и вода начала кристаллизоваться в нанометровые кубики льда, ученые добавили еще 16 лазерных лучей, чтобы испарить тонкий кусок железа рядом с образцом. Получившаяся плазма залила кристаллизующуюся воду рентгеновскими лучами, которые затем дифрагировали от кристаллов льда и позволили команде различить их структуру.
Атомы в воде перестроились в давно предсказанную, но никогда ранее не виданную архитектуру, лед-XVIII: кубическую решетку с атомами кислорода на каждом углу и в центре каждой грани.
«Это настоящий прорыв», говорит Коппари.
«Тот факт, что существование этой фазы не является артефактом квантово-молекулярного динамического моделирования, а вполне реально — это очень радует», говорит Бове.
Что такое супер лед
И такого рода успешная перекрестная проверка как моделирования, так и настоящего суперионного льда предполагает, что конечная «мечта» исследователей физики материалов может быть вскоре достигнута. «Вы говорите мне, какие свойства материала вам нужны, мы идем к компьютеру и теоретически выясняем, какой материал и какая кристаллическая структура вам нужна», говорит Раймонд Джанлоз, ученый Калифорнийского университета в Беркли.
Новый анализ также намекает на то, что хотя суперионный лед действительно проводит некоторое электричество, он является рыхловатым, но твердым веществом. Он будет понемногу растекаться, но течь — нет. Таким образом, жидкие слои внутри Урана и Нептуна могут остановиться примерно на 8000 километрах вглубь планеты, где начнется огромная мантия зыбкого суперионного льда. Это ограничивает большинство действий динамо на меньших глубинах, учитывая необычные поля планет.
Другие планеты и луны Солнечной системы, вероятно, не располагают внутренними температурами и давлениями, которые позволили бы существовать суперионному льду. Но множество экзопланет размеров ледяных гигантов позволяют предположить, что это вещество — суперионный лед — будет распространен в ледяных мирах по всей галактике.
Конечно, ни одна планета не будет содержать одну только воду. Ледяные гиганты в нашей Солнечной системе также замешаны из метана и аммиака. Степень, в которой суперионное поведение на самом деле находит место в природе, «будет зависеть от того, существуют ли эти фазы, когда мы замешиваем воду с другими материалами», говорят ученые. Впрочем, суперионный аммиак также должен существовать.
Эксперименты продолжаются. Как думаете, узнаем ли мы однажды, что находится в центре крупнейших тел в нашей Солнечной системе? Поделитесь мнением в нашем чате в Телеграме.
Источник