Архив журнала

Откуда появилась вода на Земле?

Проект «Розетта» (Rosetta) разрабатывался ESA более 15 лет. Основной задачей миссии было изучение проблемы происхождения комет, связи между кометным и межзвездным веществом.

ПОГОНЯ ЗА«РЕЗИНОВОЙ УТКОЙ»

На совещании ESA 11–13 мая 2003 года было принято решение направить космический аппарат к комете семейства Юпитера 67Р/Чурюмова-Герасименко с использованием ракеты-носителя «Ариан-5» в феврале 2004 года. Для исследования кометы проектировалась вся научная аппаратура «Розетты» и ее спускаемый модуль «Фила» (Philae).
Кстати, свое название зонд получил от Розеттского камня, надписи на котором позволили расшифровать древние египетские иероглифы. А спускаемый аппарат назван в честь острова, на котором был найден камень.
Исследование комет специалистов привлекает тем, что их ядра благодаря своим малым массам хранят в неизменном виде первичное вещество протопланетного облака. 4,5 млрд лет назад из него образовались планеты и другие тела Солнечной системы. За время, истекшее с тех пор, реликтовое вещество в планетах и их больших спутниках не раз подвергалось изменению: или сдавливалось, или переплавлялось, или деформировалось в результате столкновений и метеоритных бомбардировок. Поэтому только кометные ядра хранят в себе раскрытие тайны реликтового вещества, что дает ученым ключ к пониманию истории формирования Солнечной системы.
В 1986 году было направлено несколько космических миссий к ядру кометы Галлея. С помощью космических аппаратов «Вега-1», «Вега-2» (СССР), Giotto (Европейское космическое агентство, ESA), Suisei, Sagikake (Японское космическое агентство) и ICE (NASA) ученые получили уникальные данные о геометрии и физических свойствах ядра, о химическом составе кометных пылинок, о параметрах магнитного поля, о взаимодействии солнечного ветра с плазменным хвостом кометы Галлея. Тем не менее эти космические миссии не ответили на один из главных вопросов: как и откуда на Земле появилась вода? На этот вопрос и должен был ответить новый уникальный проект «Розетта» стоимостью около 1 млрд евро. 2 марта 2004 года в 7 часов 17 минут 44 секунды по всемирному времени «Ариан-5» успешно стартовала с площадки ELA3 космодрома Куру во Французской Гвиане.
И в начале августа 2014 года «Ро­зет­та», преодолев 6,4 млрд км, наконец, догнала комету Чурюмова-Герасименко. Чтобы лучше понять, какое расстояние преодолел зонд, достаточно сказать, что сигнал с него преодолевает 550 млн км, отделяющие сейчас его от Земли, почти за 23 минуты. Зонд вошел в орбиту кометы, мчащейся на скорости 55 тыс. км/ч. Гонка за хвостатой путешественницей, которая продолжалась почти 10 лет, подошла к концу.
…Для того чтобы сохранять гиперболическую орбиту над скалистой глыбой, которую за ее форму уже прозвали «резиновой уткой», «Розетта» на высоте 100 км через каждые несколько дней включает двигатели. Исследование кометы продлится больше года. Все это время будут активно работать научные приборы, установленные на зонде. По мере приближения к Солнцу комета будет нагреваться и оставлять за собой шлейф газа и пыли. Это позволит зонду тщательно исследовать ее состав и атмосферу, а ученым?— узнать побольше об этом космическом камушке, который доставляет крупицы жизни в самые отдаленные уголки нашей солнечной системы.
В научных кругах тогда царило ожидание большого чуда, огромного прорыва, какой бывает, наверное, раз в 100 лет.

«АСТЕРОИДНАЯ ВЕРСИЯ» ПРОТИВ «КОМЕТНОЙ»

Оказалось, что кометная вода отличается по составу от земных образцов. В ней повышено содержание тяжелого водорода, или дейтерия. Эти данные успел передать спускаемый модуль «Фила» перед тем, как впасть в «спячку». Это известие опровергает популярную среди ученых точку зрения, что вода на Земле появилась несколько миллиардов лет назад в результате массированной кометной бомбардировки.
— Данные «Филы», вероятно, исключают тот факт, что воду на Землю занесли кометы,?— разочаровала поклонников «кометной теории» сотрудница Бернского университета (Швейцария) Кэтрин Альтвегг, которая занималась обработкой материалов, полученных Европейским космическим агентством.?— Поэтому вопрос о точном происхождении воды на Земле по-прежнему остается открытым. Какие же небесные тела занесли ее на нашу планету? Кроме того, наше открытие, скорее всего, исключает версию о наличии богатых водой комет в поясе Койпера, которые могли занести ее на Землю.
Но энтузиасты не сдаются. Они надеются, что следующие миссии на другие кометы подтвердят их теорию. Так, например, сам первооткрыватель кометы Клим Чурюмов уверен, что на этапе своего формирования Земля была слишком раскаленной и поэтому не могла удержать водяные пары в атмосфере. Коллегу поддерживает и старший научный сотрудник Института медико-биологических проблем РАН Владимир Цетлин. По его словам, изотопный состав воды на комете Чурюмова-Герасименко мог измениться под воздействием жесткого космического излучения. Поэтому надо проверить состав воды в других кометах.
Зато это известие приободрило сторонников «астероидной теории»?— ученых из США, Испании и Бразилии, которые лет 5 назад обнаружили водяной лед на поверхности одного из самых крупных объектов Главного пояса астероидов Фемиды, «живущего» между орбитами Марса и Юпитера. До этого воду на астероидах не находили. Поэтому вполне возможно, что воду занесли на Землю не кометы, а астероиды.
Их поддерживает и Кэтрин Альтвегг. Она считает, что живительная влага могла попасть на Землю только вместе с астероидами. Однако подтвердить эту версию будет очень трудно, поскольку 4 млрд лет назад, когда предположительно влага впервые попала на нашу планету, на астероидах ее было больше, чем сегодня.
«Вода на Землю была занесена около 4–3,6 млрд лет назад,?— рассуждает Сильван Лодио, сотрудник Европейского космического агентства (ESA) в Центре управления полетом в Дармштадте.?— И еще на этапе активного формирования планеты ее беспрерывно атаковали тысячи больших и малых астероидов и комет. Некоторые из таких астероидов были довольно крупными и содержали в себе приличные запасы воды в виде пара, жидкости или льда».
Подтвердить или опровергнуть эту гипотезу, скорее всего, поможет миссия японской межпланетной станции «Хаябуса-2». 3 декабря 2014 года космический аппарат стартовал с космодрома Танэгасима. Сейчас он мчится к околоземному астероиду (162173) 1999 JU3. В поперечнике он в 4 раза меньше ядра кометы Чурюмова-Герасименко.
В июле 2018 года «Хаябуса-2» сблизится с астероидом и десантирует на его поверхность спускаемый аппарат «МАСКОТ». Зонд соберет образцы грунта с поверхности астероида и отправится обратно к Земле. Возвращение «Хаябусы-2» домой с грузом запланировано на декабрь 2020 года.

ЧТО ЖЕ СОБОЙ ПРЕДСТАВЛЯЮТ «ХВОСТАТЫЕ»?

До сих пор ученые придерживались такой версии: вода была на Земле в момент ее формирования, но затем вследствие некоего катаклизма полностью выкипела, и потому та жидкость, которая сегодня наполняет моря и океаны, скорее всего, была занесена извне.
Образцы, полученные в ходе миссии «Розетта», поставили планетологов в тупик. Результаты анализов изменили представления ученых не только о происхождении воды, но и о природе самих комет. До сегодняшнего дня их делили на два типа по происхождению: ближние и дальние. Первый тип?— это кометы семейства Юпитера, изначально происходящие из пояса Койпера, расположенного за орбитами Нептуна и Плутона. Дальние?— из облака Оорта, которое находится на самом внешнем крае Солнечной системы.
В 1986 году космический аппарат прошел всего в 640 км от кометы Галлея, прилетевшей из облака Оорта. Тогда астрономы провели первый анализ воды на ее поверхности и также обнаружили «тяжелую» воду, богатую дейтерием.
Но в 2011 году ученые изучили воду в комете «Хартли-2», вышедшей из пояса Койпера. И выяснилось, что вода на этом «камушке» по составу идентична земной. Именно тогда гипотеза о кометном происхождении воды на нашей планете стала особенно популярной.
Но ученых поразил на сей раз такой факт: комета Чурюмова-Герасименко также происходит из пояса Койпера, но вода на ее поверхности даже тяжелее, чем обнаруженная на комете Галлея. Выходит, классификация комет по происхождению теперь тоже теряет свой смысл.

ЯПОНСКАЯ ТЕОРИЯ: ВОДА ВСЕГДА БЫЛА НА ЗЕМЛЕ

Есть и другие версии происхождения воды. Так, японские специалисты предполагают, что почти вся вода на Земле появилась здесь же, а не была занесена из космоса. Геологи из токийского Института технологий говорят, что на этапе начального формирования планеты в структуре Земли присутствовали целые пласты, состоящие из водорода, они вступали в химическую реакцию с кислородом, присутствующим в земной мантии, в результате чего на планете образовывалась вода в больших количествах.
— Вода крайне необходима для возникновения и развития жизни на Земле, однако откуда она появилась на планете и почему она существует??— задается вопросом ученый из Института технологий в Токио Хиденори Генда и сам же отвечает.?— Сразу же после того, как планета была сформирована, она была крайне горячей и сухой. В теории, около 3,8 млрд лет назад миллионы комет и астероидов, богатых водой, атаковали Землю, это же объясняет, почему океаны появились уже после того, как закончилось формирование планеты.
Однако исследования показывают, что в структуре естественной природной воды, особенно в океанах и морях, содержится много дейтерия, элемента называемого также «тяжелым водородом». Дейтерий возникает, когда происходят некоторые реакции с водородом, в результате чего небольшой процент атомов водорода получает дополнительный электрон и фактически становится дейтерием. По мнению ученых, этот фактор указывает на земное происхождение воды.
Японские ученые предполагают, что ранняя Земля имела толстую водородную атмосферу, которая взаимодействовала с кислородом в структуре планеты, в результате чего и образовывалась вода.
Идею того, что планета обладала толстой водородной атмосферой, специалисты строят на основании анализа орбиты Земли. На сегодня орбита Земли, так же как и Марса с Венерой, довольно круглая, но раньше она была более вытянутой, так как притяжение Солнца действовало не так сильно, а молодые планеты Солнечной системы вращались в огромном водородном протопланетарном облаке.
Кроме того, специалисты считают, что часть дейтерия образовалась и в результате реакций с космическими элементами в верхних слоях атмосферы.
Вместе с тем сами японские специалисты говорят, что пока их идея является лишь теорией, которую предстоит детально изучить и проанализировать. Возможно, им придется пересмотреть теорию внеземного происхождения воды, но, скорее всего, вода появлялась как на планете, так и заносилась сюда космическими объектами.

ВОДА НА ЗЕМЛЕ И ЛУНЕ ПОЯВИЛАСЬ ОДНОВРЕМЕННО

А эта теория была обнародована в журнале Science в мае 2013 года. Согласно этой теории, Земля и Луна были наполнены водой в «момент» своего рождения.
Химический состав лунных пород показал: при формировании Земли на ней уже была вся ее вода. Выходит, что у Земли и Луны общий источник воды. Это открытие заставило поднять новые вопросы о происхождении нашего естественного спутника геохимиком Альберто Саалем из Университета Брауна (США) и его коллегами. В поисках воды ученые положились на ее химический след?— относительное количество водорода и дейтерия.
Напомним, что лунные минералы привезли на Землю астронавты «Аполлона-14» в 1971 году. Их до сих пор изучают и находят много интересного. Ведь с каждым годом техническая оснащенность науки дает возможность более тщательного изучения любого необычного материала. Так, несколько лет назад ученые из Калифорнийского технологического института и Университета Теннесси в Ноксвилле (США) с помощью новейшей методики масс-спектрометрии вторичных ионов сделали анализ апатита, который содержится в образце лунной породы.
Согласно этому методу, твердый материал изучаемого вещества подвергается бомбардировке ионизированными атомами какого-либо элемента, которые «выбивают» из структуры твердого тела составляющие его атомы в форме заряженных частиц?— вторичных ионов. Эти ионы впоследствии анализируются с помощью метода масс-спектрометрии. Такой подход позволяет исследовать частицы твердых тел практически микроскопического размера.
Каково же было удивление ученых, когда они обнаружили не только следы воды, но также хлора и серы. И самое интересное, что по содержанию последних апатит вполне соответствует образцам, заключенным в земных вулканических породах.
— Если быть более точными, то в образце Луны была найдена не вода в чистом виде,?— уточнил тогда один из авторов работы Джордж Россман,?— а гидроксил. Но он в химическом отношении близок к воде. Ее можно получить при нагревании апатита.
По словам профессора Джона Эйлера, новое исследование показало, что воды на Луне было больше, чем было принято считать до сих пор. Но точно оценить общий объем воды на Луне пока не представляется возможным. Однако некоторым образом проясняется вопрос ее образования.
— Обнаружение летучих элементов не слишком хорошо согласуется с наиболее популярной теорией, объясняющей формирование спутника в результате столкновения Земли с объектом размером с Марс, в результате которого на орбиту попал большой объем вещества,?— объяснял другой ученый Ян Лю.?— Удивительно, что вода вообще сохранилась, ведь менее летучих элементов?— натрия, калия?— на Луне совсем мало. «Ударная теория» требует новых проверок.
Одна из теорий гласит, что около 4,5 млрд лет назад Земля столкнулась с объектом, размерами напоминавшим Марс, результатом чего стал выброс на орбиту некоторого количества материала, из которого впоследствии сформировалась Луна. А данные нового исследования проще всего объяснить тем, что к тому времени на Земле уже была вода. Она не могла быть занесена позднее, так как Луна быстро приобрела твердую, непробиваемую оболочку?— литосферу.
Однако некоторые планетологи считают, что из-за тепла, произведенного столкновением, вся вода, которую Земля передала будущей Луне, должна была выкипеть. И тогда результаты исследования говорят о том, что мы не знаем чего-то очень важного из истории образования Луны.
Эту дилемму пытались решить давно. Например, комбинация тяготения на поверхности Земли и быстрого формирования Луны, на которое ушло всего-то около 100 лет, могла не дать воде испариться.