Жизнь на Титане: мир ледяных скал и метановых озер

Первое место по размеру занимает спутник Юпитера Ганимед но его очень долго считали вторым. А всё потому, что Титан, единственный среди спутников планет Солнечной системы, обладает собственной плотной атмосферой, интенсивно отражающей солнечные лучи. В общем, эта луна гораздо больше похожа на настоящую планету, чем официально числящийся в планетах Меркурий. Тот и размером поменьше, и плотной атмосферы у него нет.

Атмосфера Титана малопрозрачна. До сравнительно недавнего времени поверхность спутника была скрыта от наблюдателей за сияющей вуалью, что существенно затрудняло его изучение. В 1944 году Джерард Койпер точно установил сам факт существования атмосферы. 1 сентября 1979 года станция «Пионер-11», пролетая близ Титана, передала на Землю пять его снимков. 12 ноября 1980 года «Вояджер-1» прошёл в 5600 км от Титана, однако полученные им снимки не позволили различить какие-либо детали поверхности из-за атмосферной дымки.

«Вояджер-1» смог изучить только приблизительный состав атмосферы и определить основные данные, такие как размер и масса, также был уточнён орбитальный период. Первые фотографии, пролившие свет на структуру поверхности Титана, были получены телескопом «Хаббл» в 1990-х годах.15 октября 1997 г. с Земли стартовал автоматический космический аппарат «Кассини-Гюйгенс», созданный совместно НАСА, Европейским космическим агентством и Итальянским космическим агентством.

Аппарат получил своё имя в честь двух астрономов XVII столетия, изучавших систему Сатурна. Христиан Гюйгенс первым открыл Титан в 1655 году. Джованни Кассини обнаружил ещё четыре луны Сатурна (Япет, Рею, Тефию, Диону), а также щель в кольце Сатурна. Комплекс «Кассини-Гюйгенс» включал в себя орбитальную станцию «Кассини», которой предстояло стать первым искусственным спутником Сатурна, и спускаемый аппарат с автоматической станцией «Гюйгенс», предназначенный для посадки на Титан. 1 июля 2004 года «Кассини-Гюйгенс» вышел на орбиту Сатурна. 14 января 2005 года «Гюйгенс» вошёл в атмосферу Титана, совершил мягкую посадку на его поверхность и ещё 72 минуты передавал данные «Кассини».

Благодаря работе «Кассини» на орбите, а «Гюйгенса» в атмосфере и на поверхности спутника исследователи в настоящее время располагают большим количеством снимков, данными химического анализа и физических приборов и даже звуковой записью шума ветра на Титане. Многократные измерения во время спуска «Гюйгенса» показали, что в атмосфере Титана 98,4% азота (N2) и 1,6% метана (CH4), а вблизи поверхности концентрация метана становится 5%. В незначительных количествах присутствуют и другие газы, главным образом углеводородные — этан, пропан, ацетилен (C2H6, C3H8, C2H2).

После того, как взор астрономов проник за атмосферную вуаль, стало известно ещё одно уникальное свойство крупнейшего спутника Сатурна. За исключением Земли, Титан является единственным космическим телом Солнечной системы, на поверхности которого имеется жидкость в количестве, достаточном, для существования обширных водоёмов – рек, озёр и, пожалуй, даже морей. Впрочем, не вполне правильно называть эти образования водоёмами. Жидкость, которая их образует – отнюдь не вода.

Настоящая вода на Титане тоже имеется в изобилии, но исключительно в твёрдом состоянии. Температура воздуха у поверхности составляет приблизительно 94 кельвина (-179 °C), так что водяной лёд существует на правах обычной скальной породы, как кварц или кремень на Земле. Есть даже пространства, покрытые ледяными песками. Не снегом, а именно мельчайшими крупинками льда, разрушенного эрозией. Ледники на Титане перемежаются кремниевыми образованиями, а реки и озёра наполняет жидкий метан ( CH4 ) или его гомолог этан ( C2H6 ). Больше всего им подошло бы название «метаноём» или «этаноём». В розоватом небе над Титаном проплывают оранжевые метановые облака, с которых иногда срывается метановый дождь или снег, тоже оранжевый.

Наличие метановых морей начали подозревать ещё до путешествия «Кассини-Гюйгенса». Информацию о температуре на поверхности, как раз между точкой плавления и точкой кипения метана, была получена раньше. То, что в нижние слои атмосферы значительно богаче парами метана чем верхние, тоже было известно. Это наводило на мысль о его испарении с поверхности открытых резервуаров. Но о характере этих резервуаров много спорили. Одни полагали, что вся поверхность спутника покрыта океаном, другие – что там есть лишь разрозненные мелкие лужи.

«Гюйгенс» опустился на поверхность вблизи экватора, в пределах тёмного пятна, из числа тех, что астрономы былых времён обожали называть морями. Лелея надежду найти обитаемые миры, они называли такие пятна морями на Луне и на Марсе, но там это были просто низменности, где не нашли воды, и вообще никакой влаги. Место посадки «Гюйгенса» тоже не было морем в полном смысле этого слова, но оно не было и абсолютной сушей. В момент контакта с поверхностью раздался характерный шлепок, как будто станция плюхнулась в жидкую грязь или мокрый песок, а камеры показали равнину, усеянную округлыми валунами, явно отшлифованными потоком. Ещё удалось разглядеть гряды чёрных дюн, вытянутых с запада на восток, по направлению ветра.

Как выяснилось, валуны состояли из водяного льда, а грязь была в значительной степени образована жидким метаном, химический же состав дюн точно определить до сих пор не удалось. Установлено, однако, что содержание водного льда в них — наименьшее среди всех форм рельефа на Титане. Предполагают, что это сложные углеводородные соединения, так называемые толины. Они возникают из простых углеродных соединений под воздействием ультрафиолетового излучения. Впервые термин «толин» был введён в обиход известным астрономом Карлом Саганом. Он получил подобное вещество в ходе экспериментов с газовыми смесями. В естественных условиях толины не образуются на Земле на её современном этапе развития, но считаются химическими предшественниками развития жизни. Толины не содержат кислорода, их «кирпичиками» являются атомы водорода, углерода и азота.

Местность, где оказался «Гюйгенс», имела гораздо больше права называться морем, чем какое-нибудь Море Туманов или Море Дождей, чьи названия звучат насмешкой на небесном теле, где нет атмосферы и, соответственно, атмосферных осадков. А тут нашлись и вода и жидкость. Правда, вода отдельно, а жидкость отдельно, но это было вполне ожидаемо на таком расстоянии от Солнца. А потом с помощью «Кассини» в районе северного полюса Титана обнаружили самый настоящий Озёрный край. Причём на этот раз удалось поймать блики с гладкой, отражающей свет поверхности, так что не осталось сомнений: мы имеем дело не с влажными низинами, а самыми настоящими озёрами. На сегодняшний день известно около 400 таких «водоёмов». Некоторые площадью меньше квадратного километра, другие столь велики, что их назвали морями. Крупнейшее среди них — Море Кракена, достигает в поперечнике 1200 км. Его площадь составляет около 400 000 км2 — чуть больше Каспия. Море Кракена сообщается узким проливом с морем Лигеи ширина которого 500 км, а площадь около 100 000 км2 , что в двое больше Байкала и Ладоги вместе взятых. Третьим по размеру(около 380 км в ширину) является море Пунги– самый северный из «водоёмов» Титана, расположенный совсем близко от полюса. Имеются и реки, так в конце 2012 года на Титане была обнаружена хорошо развитая речная система, формой и ориентацией напоминающая земной Нил в миниатюре. Она имеет около 400 км в длину и впадает в море Кракена.

В южной полярной области найдено одно крупное (протяженностью 230 километров) и три небольших озера, а также много сухих округлых впадин, похожих по форме на северные озера. Эти впадины навели исследователей на мысль, что обилие озёр в северном полушарии по сравнению с южным может быть связано с сезонными особенностями. Период вращения Сатурна, а следовательно и Титана вокруг Солнца составляет 30 лет, каждое время года длиться тут около 7,5 лет. Большую часть времени, что «Кассини» имел возможность вести съёмку, в северном полушарии царила зима, а в южном лето. «Жаркая» погода способствовала интенсивному испарению метановых озёр, сильный ветер переносил облака в северные приполярные области, где выпадали обильные осадки.

Надо сказать, что уже вошедшее в привычку определение «метановые озёра» тоже не совсем верно. Более детальные исследования химического состава показали, что основным компонентом в них является этан (76-79 %). На втором месте находится пропан (7-8 %), и только на третьем - метан (5-10 %). Кроме того, "водоемы" содержат 2-3 процента цианида водорода, и около 1 процента бутена, бутана и ацетилена. По словам Ральфа Лоренца, сотрудника лаборатории прикладной физики университета Джона Хопкинса, Титан - просто гигантский завод органических химических веществ. Инвентаризация "запасов" Титана является важным окном в его геологическую и климатическую историю. Прежде всего учёные пытаются количественно оценить две главные "кладовые" углеводородов. Первая — обширная система озёр в районе северного полюса, наполненных жидкими метаном и этаном. Вторая — тёмные дюны, занимающие большую полосу у экватора и покрывающие 20% поверхности Титана. Запасы углеводородного сырья там в несколько сотен раз превышают запасы угля на Земле. Что до озёр, то для того, чтобы правильно оценить количество углеводородов там, требуется определить их глубину. Одно время бытовала теория, что «моря» Титана, не смотря на свою внушительную площадь, на самом деле просто мелкие лужи, глубиной не более метра.

Впоследствии, когда поверхность спутника была более подробно исследована с помощью радаров, эта теория не подтвердилась. Некоторые резервуары действительно мелки, но наиболее крупные имеют значительную глубину. Иногда настолько значительную, что её не удалось сходу установить. Радиосигнал не достигал дна «водоёма». Это значит, что речь идёт, как минимум о сотнях метров. Среди нескольких сотен уже открытых озёр Титана только несколько десятков самых крупных содержат столько углеводородов, что каждое из этих озёр могло бы в одиночку обеспечивать освещение, кондиционирование и обогрев жилых домов США в течение 300 лет. Титан располагает на поверхности 3 х 104 кубическими километрами углеводородной жидкости и 2 х 105 кубическими километрами углеводородных же дюн.

Как известно «Касссини» успешно завершила свою миссию 15 сентября 2017 г., напоследок передав на Землю впечатляющие кадры своего погружения в Сатурн. Но интерпретация данных продолжается по сей день. В сентябре 2018 г. астрономы НАСА сообщили, что на кадрах снятых Кассини видны бушующие в экваториальной зоне пыльные бури. Кроме Титана они известны лишь на Земле и на Марсе. Предполагается, что на луне Сатурна ветер несёт мельчайшие твёрдые частицы органических соединений.

Годом позже, в сентябре 2019 г. учёные НАСА объявили, что информация полученная с радаров заставила их пересмотреть свои представления о происхождении некоторых титаниаских озёр. Ранее считалось, что все они являются аналогами земных карстовых водоёмов. То есть, впадины сформировались в результате частичного растворения жидким метаном коренных пород, состоящих из водяного льда и твёрдых углеводородов. Вероятно, это справедливо в отношении «морей». Но, оказывается, озёра поменьше часто окружены со всех сторон крутыми склонами или даже обрывами, иногда в сотни метров высотой. Это совсем непохоже на карстовый процесс. Скорее, эти озёра напоминают заполненные жидким метаном взрывные кратеры. Похожие озёра возникают на Земле на месте потухших вулканов. Примером может служить озеро Рица в Абхазии или Синевир в Украинских Карпатах. Однако, речь не идёт о вулканических кратерах на Титане. Была выдвинута другая версия.

По мнению исследователей, причиной чудовищных взрывов стали образовавшиеся под поверхностью луны резервуары жидкого азота. В истории Титана были свои «ледниковые периоды» и «глобальные потепления». Метан в атмосфере является причиной парникового эффекта. Когда его концентрация возрастает наступает потепление, когда падает – похолодания. Причины этих метановых циклов до конца не выяснены, но их результаты налицо, а вернее на поверхности спутника. Во время «ледникового периода» азот в большом количестве переходит в жидкое состояние и скапливается под поверхностью, подобно грунтовым водам. Но когда климат становится слишком жарким (по титанианским меркам) он стремительно испаряется. Эффект ничем не уступает извержению вулкана.