Судьбы планет

Участник:

Леонид Васильевич Ксанфомалити – доктор физико-математических наук

Леонид Ксанфомалити: …Марс будет настолько близок к Земле, как он не был в течение последних примерно десяти тысяч лет. На самом деле это всё очень условно, потому что близкое противостояние и далекое противостояние не очень различаются между собой. Но сам по себе астрономический факт интересен. Любопытно, что последние примерно сто лет интерес к Марсу не увядает. Я посмотрел литературу и обнаружил, что все эти сто лет Марс был, в общем, в центре внимания публики. Очень интересно, что в 1897 году в России была опубликована книжка Камиля Фламмариона, в которой он, в частности, писал о том, как живут марсиане. Он писал, что марсианское общество ушло от нас очень далеко вперед в области культуры, что они живут семьями, что они овладели науками, искусствами и вообще представляют собой очень совершенное общество.

Но любопытно, что наряду с такими экскурсами, которые временами Фламмарион допускал, он вместе с тем писал очень интересные вещи о планетах, и даже, пожалуй, астрономы второй половины 20-го века – все учились по его книжкам, и не только астрономы, не только ученые, не только люди, интересующиеся наукой. У нас вообще небо было очень популярно почему-то в то время. В 1898-м году была опубликована опера Римского-Корсакова «Царская невеста», там есть ария Марфы, помните? «В других краях, в других мирах такое ль небо, как у нас», – поет умирающая Марфа. Опять-таки проявление интереса к небу.

И этот неувядающий интерес к небу, интерес, в конечном счете, к Марсу, подталкивает и сейчас исследователей к запуску одного за другим аппаратов к Марсу, к исследованиям с целью определить самое-самое, казалось бы, загадочное явление – жизнь. Есть ли жизнь на Марсе, откуда взялась жизнь на Земле? Мы когда-то говорили с вами, примерно год назад, как эти явления связаны, и что жизнь, по-видимому, если возникает на одной планете, обязательно должна была перенестись и на другую планету.

Так что это противостояние привлекло внимание любителей астрономии. Насколько мне известно, они мобилизуют свои телескопы, ведь до августа осталось уже недолго, и Марс будет наблюдаться большой армией, как любителей, так и профессионалов. Вместе с тем в последние годы у Марса появились новые космические аппараты. И как всегда это бывает, появляются новые технические средства, появляются новые возможности и появляются новые открытия.

Я не случайно начал с проблемы жизни на Марсе, ее ищут, комментируют и в литературе, и во всяких юмористических изданиях. Вместе с тем ведь вопрос о том, как искать и где искать жизнь на далекой планете, ученым ясен, потому что искать-то надо там, наверное, где есть вода. Та форма жизни, которую мы знаем, всегда будет связана с водой. Поэтому поиски жизни на Марсе, здесь можно поставить знак равенства, были равны поиску воды на Марсе.

В течение длительного времени мы считали, что Марс, и это правда, очень сухая планета. Но, вместе с тем, оказалось, что новые открытия, новые результаты, которые были получены с новыми аппаратами, принесли такие сведения, о которых мы раньше и не догадывались, и которых мы и не ожидали. То есть на Марсе обнаружены если не современные потоки, то, во всяком случае, временами возникающие потоки воды. Наблюдаются горные ручьи на склонах, и, по-видимому, есть даже какие-то пруды, заполненные, скорее всего, льдом. Но образовавшийся пруд говорит о том, что когда-то вода в него втекла.

Сейчас на экране Марс, видимый с одной стороны. Это планета, которая по размерам почти вдвое меньше Земли, но все же вдвое больше нашей Луны. Марс давно привлекает астрономов еще и потому, что это очень удобный объект для наблюдения, хотя, в общем-то, в телескоп мало что можно различить. Те снимки, которые вы видите, так же как следующая картинка, – это Марс с разных сторон. То, что мы видим, это поверхность Марса, потому что атмосфера очень разреженная, она в 150 раз более разрежена, чем земная атмосфера. Это атмосфера, состоящая, в основном, из углекислого газа.

Тем не менее, даже эта очень разреженная атмосфера иногда создает бури над поверхностью Марса. Она переносит какие-то ничтожные количества влаги от полюсов к экватору, от экватора – к полюсам, и нужно сказать сразу же, что в условиях крайне холодного климата Марса вода, как предполагалось, может существовать только в виде льдов или инея. Но то, что было обнаружено сейчас, было совершенно неожиданно.

На следующей картинке вы видите вершину, высочайшую вершину Марса. Это гора Олимп, которая имеет высоту 27 километров. Школьники знают, у нас гора Эверест имеет высоту 8 тысяч 848 метров. Мы с детства все знаем эту цифру. А тут 27-километровая вершина. Естественно, давление на уровне этой вершины получается практически в десять раз ниже, чем на уровне поверхности. Какой поверхности? Мы считаем на Земле от уровня моря. Там, конечно, никакого моря нет, но есть условная поверхность на уровне примерно 6 миллибар. Это, повторяю, углекислый газ.

На следующей картинке вы видите гигантскую такую рытвину, которая проходить чуть ли не наполовину вдоль экватора Марса. Это гигантский каньон, каньон Долины Маринера, по имени первого аппарата, который летал туда, к Марсу вместе с нашими первыми «Марсами». Это тот вид планеты, который можно увидеть с космического аппарата, приближающегося к планете, кружащего над нею, в частности, такого аппарата, как «Марс Глобал Сервейер», который обнаружил эти очень интересные образования на поверхности Марса.

На следующей картинке вы сейчас видите, что сама поверхность Марса довольно скучная. Это камни, красноватый песок, и что интересно, красное или розоватое небо. Небо розовое именно потому, что пыль поднимается с поверхности, и мелкая фракция пыли очень долго висит в атмосфере – до следующей бури. Бури, кстати, бывают связаны очень часто с противостоянием с Землей. Но, конечно, Земля-то тут ни при чем, а происходит это потому, что, приближаясь к Земле, Марс одновременно приближается и к Солнцу. Это понятно.

Космический аппарат, который летал несколько лет назад, опустил на поверхность Марса тележку размером с детскую коляску, вы ее видите здесь. Он исследовал поверхность опять-таки под тем же самым углом. Что же представляет собой эта поверхность? Сейчас мы знаем ее состав, но, видимо, до сих пор не обнаружено ни малейших признаков жизни, которая бы существовала на поверхности Марса. Но, может быть, все-таки она могла бы в виде простейших микроорганизмов существовать в глубине грунта. Это возможно. Потому что в Антарктиде, мы знаем, многие микроорганизмы могут зарываться в грунт, могут существовать даже в условиях льда. Исследования, которые были на этот счет проведены, показывают и подтверждают, что жизнь очень легко приспосабливается к самым различным условиям.

Тот снимок, который вы видите сейчас на экране, это уже нечто новое. Размер этого участка всего 28 километров. Здесь видно старинное русло, здесь вода текла по поверхности Марса в невообразимо далеком прошлом, более 3 миллиардов лет назад. Но что интересно? На краях, на склонах этого русла, обнаружено, сейчас уже можно сказать, что-то, напоминающее ручьи на склонах земных оврагов.

Следующая картинка показывает это даже немножко лучше. До недавнего времени считалось, что то, что мы видим на Марсе, на склонах – это осыпи песка, камнепады, которые и образуют, как показано на этой картинке, размытую структуру на дне этого каньончика или на дне этого кратера. Но вместе с тем, посмотрите, на склонах видно то, что я бы назвал протоками или ручьями. Но у них есть одна очень странная особенность – они сужаются книзу. То есть, впечатление такое, что эти ручьи текут вверх. Конечно, вверх там ничего не течет, но что получается с водой на Марсе? Оказывается, что все эти источники находятся на склонах, то есть вода выплескивается на поверхность из каких-то тающих масс подпочвенного льда. И сам этот лед находится на достаточно большой глубине.

Он там образовался очень давно, и он тает из-за, скажем, повышения температуры за счет радиоактивного ли распада, за счет каких-то, может быть, других явлений. Это приводит к тому, что лед начинает таять, и появляются эти потоки на склонах, на глубине примерно от 150 до 500 метров по сравнению с поверхностью окружающей равнины.

Но что получается в условиях очень морозного климата? Средняя температура – минус 60 градусов нашей 100-градусной шкалы. Представьте себе, что вы на морозный грунт выплеснули ведро воды. Что с ним произойдет? Морозный грунт, отчасти впитав эту воду, тут же заставит ее замерзнуть. Давление на Марсе настолько низкое, что до сих пор считалось, что любой поток тут же испарится. Но это немножко наивно, потому что в школе когда-то нас всех учили, что для того, чтобы испарить один килограмм воды, нужно затратить довольно много – 2.5 тысячи джоулей, или 540 калорий. Где эта вода возьмет такую энергию, столько тепла? Взять ей негде. Поэтому в марсианских условиях испариться может не более одного процента этой воды. Все остальное начинает течь по поверхности, взаимодействуя с морозным грунтом и замерзая.

Таким образом получается ледяное ложе. Но оказывается, что постепенно вода расходуется и, в конце концов, где-то на расстоянии около сотни–двух сотен метров это русло и заканчивается. Самые большие русла, которые были обнаружены, имеют, думаю, размер до семи километров. То есть, все же вода течет. В некоторых случаях это получается, наверное, из-за того, что в летнюю пору все-таки грунт немножко теплее.

На этом снимке вы видите вообще поразительную вещь. Внизу вы видите ограниченное извилистой границей что-то вроде пруда, озера что ли. Причем, ширина его полтора километра. Это довольно большое образование. И видно, как по стенке этого кратера, а его размер тоже порядка нескольких километров, стекают грязевые потоки, вода, перемешанная с мелким песком, с илом, и внизу они образуют такое небольшое озеро. Причем, по-видимому, граница образуется из-за того, что вода в замороженном грунте создает некую стенку, очень похожую на то, что бывает и на Земле. На следующей картинке показаны такие бассейны. Есть удивительное место неподалеку от нашей страны, в Турции. Место это называется Памук-Кале, там тоже с горного склона текут потоки, которые несут кальциевые гидросоли.

Александр Гордон: Это не лед?

Л.К. Это не лед, хотя когда туда попадаешь, возникает обманчивое впечатление, что это обледенелый склон. Но люди ходят босиком в этой теплой воде, и она образует отложения кальциевых солей. Конечно, на Марсе это не кальциевые соли, но чтобы удержать такие пруды, как мы сейчас видели, естественно, нужна для этого какая-то укрепленная стенка этого пруда. Она образуется из промерзлого грунта. Таким образом, то, что было обнаружено в этих новых исследованиях, это такие стекающие по поверхности потоки. Причем, критики тут же заявили – «ну, это же было очень давно». Да нет, посмотрите, некоторые из них темные, некоторые светлые – это говорит о том, что они, по-видимому, существовали в разное время. Более того, в некоторых местах на фоне совершенно, казалось бы, высохшего следа потока, появляется новое темное образование.

А.Г. Прямо на глазах, по сути.

Л.К. Прямо на глазах. С космического аппарата обнаружили, что за интервал времени порядка полугода образовались новые источники там, где их полгода назад не было. В другом случае это произошло через полтора года, но, во всяком случае, это происходит, безусловно, в наши дни. Таким образом, не такая уж сухая планете Марс.

А.Г. Значит, не просто вода есть, а есть жидкая вода.

Л.К. Есть жидкая вода и то, что вы видите на этом снимке – это аналоги таких процессов. Исследователи поехали в Исландию и смотрели, что получается там. Там тоже таяние подпочвенного льда приводит к появлению таких потоков. Собственно, это то, что я хотел вам рассказать о Марсе, это последние новинки.

Вместе с тем, говоря о том, что происходит сейчас на Марсе, мы не можем не думать о том, что будет происходить с Марсом дальше, что будет происходить дальше не только с Марсом, что будет происходить с Землей. В нашей солнечной системе, как вы знаете, 9 планет, и первые 4 планеты находятся совсем близко к Солнцу – это Меркурий, Венера, Земля и Марс. О судьбе этих планет, в том числе о судьбе Марса, мне хотелось бы поговорить дальше. Это часть, которую можно было бы действительно так и назвать – судьбы планет.

До недавнего времени во всех учебниках, в популярной литературе мы могли прочесть, что Земле гарантировано существование в тех же условиях, в каких она существует сейчас, еще по крайней мере в течение пяти миллиардов лет. Потому что у Солнца запас еще 5 миллиардов лет безбедного существования. Это действительно так, даже более того – 7 миллиардов лет. Но не все так оказалось гладко.

Представьте себе, как работает Солнце – если объяснять на пальцах, просто. Вы знаете, что существуют термоядерные реакции. Они происходят в центре звезды. Когда звезда образовалась, весь материал, главным образом водород, под действием тяжести устремился к центру этой звезды, а как вы знаете, при сжатии газ нагревается, и он нагревается до тех пор, пока наконец не началась термоядерная реакция.

В термоядерной реакции 4 атома водорода превращаются в атом гелия, все получается прекрасно, выделяется энергия. Из ядра эта энергия постепенно проникает к оболочкам звезды, и мы видим Солнце, которое светит, имея температуру фотосферы 6 тысяч градусов. Все прекрасно. Но что происходит на самом деле в ядре?

По мере того как сгорает водород и образуется гелий, не все остается неизменным. Почему? Есть такая простая формула, что давление равно произведению числа частиц на постоянную на температуру. Если вы 4 атома водорода превращаете в один атом гелия, частиц становится меньше. В результате, казалось бы, давление должно уменьшится. Внешние оболочки только и ждут, чтобы противодействующая им энергия позволила им сжаться, и начинают сжимать ядро несколько больше. В этом сжавшемся ядре термоядерные реакции идут быстрее. И так происходит непрерывное ускорение. Быстро ли? Да нет, не быстро. За 4,5 миллиарда лет существования Солнца этот процесс прибавил в излучении 30 %. Но это же огромное время. И что будет дальше?

За миллиард лет прибавится еще 10 %. Но для Земли это оказалось не так уж безобидно. Потому что живем-то мы в узком температурном интервале. Мы сейчас жалуемся – в Москве холодно. Июнь – в Москве холодно. Но ведь разница-то составляет всего 10 градусов. Прибавьте 10 градусов, будем говорить – жарко, да? И все условия не только жизни на поверхности Земли, но и вообще все условия самого существования планеты, существования ее гидросферы связаны с тем притоком солнечной энергии, которую мы получаем каждый день. Поэтому, если этот баланс нарушить, а нарушиться он может очень легко, то возникнут всякие неприятности. Я прокомментирую несколько статей, которые в последние несколько лет появились одна за другой и которые предсказывают, что будет с планетой Земля и с другими планетами Солнечной системы. Если это интересно.

А.Г. Конечно.

Л.К. Там, во-первых, говорится о том, что даже сравнительно небольшое повышение температуры приведет к тому, что углекислый газ, которым все так недовольны и который создает парниковый эффект, начнет энергично поглощаться поверхностью. Но это не так уж и хорошо, потому что в этом случае растениям будет нечего есть. По прогнозам авторов одной из статей получится так, что за сравнительно короткое время (примерно такое же время, как нас отделяет от динозавров, это сто миллионов лет) углекислого газа для растений не останется, растения погибнут, а значит, животным нечего будет есть. Такие прогнозы были сделаны примерно в 1982-м году, и потом много критиков по этому поводу высказывали свои мнения.

Критики касались главным образом того, что этот вывод как всегда слишком категоричен. Если мы ожидаем, что роскошная природа Земли будет поставлена на край гибели благодаря тому, что углекислого газа не станет, то это, конечно, не так. Во-первых, времени вполне достаточно, чтобы растения приспособились. Во-вторых, есть такие растения, они относятся к классу С4, кукуруза, например, это высокоорганизованные растения, которые потребляют в десятки раз меньше углекислого газа, чем другие растения. Но я здесь не специалист, я не могу оперировать этим материалом вполне свободно…

А.Г. В любом случае, сто миллионов лет – время для эволюции достаточное.

Л.К. Аккуратные расчеты показали, что это даже не сто миллионов, а может быть раз в 8 больше. И тогда получается, что вроде бы вообще все прекрасно. Но не так уж прекрасно, как это кажется на первый взгляд. Потому что неумолимые изменения светимости Солнца, повышение энергии рано или поздно приведут к тому, что этот процесс дойдет до какой-то точки, а дальше начнется куда более неприятное явление.

Парниковый эффект, который существует на Венере (Александр Тихонович Василевский у вас рассказывал об этом) существует потому, что солнечная энергия проникает сквозь атмосферу к поверхности, разогревает ее и нижние слои атмосферы, а в инфракрасном диапазоне это излучение выйти обратно не может. Такие же условия могут возникнуть на Земле, причем здесь есть куда более активная штука, чем углекислый газ, это водяной пар. Он обладает чудовищным парниковым эффектом. Этот парниковый эффект может привести к тому, что температура на поверхности Земли начнет повышаться очень быстро. А это в свою очередь приведет к еще более быстрому испарению океана. Таким образом возникает положительная обратная связь. Сейчас ее нет, потому что Земля находится в более-менее стабильном состоянии, об этом можно поговорить детальнее. Но ситуация примерно такова.

Что же произойдет тогда дальше? Венера потеряла, по-видимому, свою воду не только потому, что она испарялась, но и потому, что в верхних слоях атмосферы теряли водород разрушаемые солнечным кратковолновым излучением молекулы воды. То есть молекула Н2О разбивалась на кислород и водород, и водород, как очень легкий газ, уходил в космос. Предполагается, что так Венера растеряла всю свою воду. Если этот механизм дойдет и до Земли, то нас ожидает примерно то же самое, что изображено на этой картине. То есть, тогда будет потерян весь запас воды, который есть в океанах. Разгоревшаяся поверхность выделит углекислый газ, который связан породами, о которых я говорил. И тогда начнется настоящий ад на Земле, потому что температура повысится до уровня кипения воды и выше, и жизни на поверхности Земли может не остаться.

Когда это может произойти? Я уже говорил – предполагают, что это произойдет где-то через 800 миллионов лет. Я вообще-то не знаю, почему это нас так должно интересовать, я не уверен, что человечество дотянет до этого времени. Может быть, наши потомки все-таки окажутся настолько мудры, что сумеют…

А.Г. Ну не человечество, так другие формы жизни пусть живут.

Л.К. А какие другие формы?

А.Г. Да любые высокоорганизованные формы. Мы-то можем уничтожить сами себя в два счета, это мы уже доказали, по-моему, с достаточной очевидностью.

Л.К. Но живем же.

А.Г. Пока да. Но если Земля останется пригодной для жизни, тогда есть надежда. Собственно, об этом и речь, насколько я понимаю.

Л.К. А кто может быть вместо нас?

А.Г. Ну, я же не могу за Господа Бога выступать или за эволюцию. Да кто угодно. Как только мы перестанем мешать Земле, может быть и возникнет какая-нибудь эволюционная цепочка, которая приведет к тому, что мы называем разумом.

Л.К. Я когда-то читал, что медведи очень перспективны.

А.Г. Может быть. Были созданы целые теории о том, что было бы с динозаврами, если бы они продолжали эволюционировать. Очень милый получался такой не гуманоид, но разумный динозаврик о двух ногах. Пути ж неисповедимы.

Л.К. Очень любопытно.

А.Г. 800 миллионов – вы сказали?

Л.К. Примерно так, 800 миллионов. Если через это время действительно Земля приобретет такой вид, как показан здесь, то, казалось бы, дела совсем плохи. На следующей картинке график, который не должен пугать наших слушателей. Там показано, что происходит с Солнцем. Вот линия, которая понемножку идет слева вверх, там написано «сегодня». Точка «Сегодня» – в этом состоянии находится Солнце. Вы видите, излучение Солнца уже поднялось. Показано, как излучение повышается. По горизонтали показано время жизни Солнца. И потом, повышаясь с каждой сотней лет, с каждым миллионом лет, это излучение дойдет до того, что где-то через три миллиарда лет падающей на Землю энергии будет на 40% больше.

Здесь уже начнутся те самые неприятности, о которых можно было бы уже говорить, как о непреодолимом внешнем факторе, если бы тут же не был найден выход. Так ли уж это непреодолимо? Если смотреть на этот график, то что происходит дальше. За возрастом для Солнца 12 миллиардов лет, или от нас отсчитывая – 7 миллиардов лет, Солнце уже погибает. Солнце уходит с так называемой главной последовательности, и ничего хорошего там ждать не приходится, потому что оболочки Солнца настолько расширяются, что и Венера, и Меркурий, и, вероятно, Земля окажутся уже внутри Солнца. Солнце превращается в красный гигант. Это заключительная, конечная стадия существования звезды, после чего в течение примерно 700 миллионов лет эволюционный трек Солнца приводит к тому, что оно превращается, в конечном счете, в белый карлик. Но не об этом речь. Здесь уж сделать ничего нельзя. Остается только удирать из Солнечной системы.

Но оказывается, что сама по себе эта восходящая горизонтальная, спокойная ветвь не так уж ужасна. Было предложено красивое решение. На следующей картинке вы можете его увидеть. Идея появилась, собственно, тогда, когда появились первые космические аппараты. Когда-то я говорил, что самое недостижимое тело в Солнечной системе – это Солнце. К далеким планетам можно полететь. А до Солнца долететь нельзя, потому что Земля движется по орбите со скоростью 30 километров в секунду, и ракеты не могут обеспечить такой импульс. Поэтому к Солнцу можно лететь только с помощью так называемых гравитационных маневров. Что такое гравитационный маневр?

Допустим, ваша ракета подлетает к какой-то планете. Угол и направление сближения выбираются так, что, повернувшись в гравитационном поле этой планеты, аппарат уже летит с другой скоростью, если рассматривать скорость относительно Солнца. Относительно самого аппарата ничего не прибавилось, ничего не убавилось. Но изменение направления скорости, как векторная сумма, чему учат в школе, приводит к тому, что вы можете, если хотите, замедлить скорость, а если хотите – ее прибавить. Когда-то у вас выступал Сурдин Владимир, так вот он опубликовал как-то статью, что можно таким способом так разогнать аппарат, что послать его даже к звездам. То есть, преодолеть скорость в 42 километра в секунду.

Дальше уже совершенно ясно. Так почему бы не использовать этот самый прием для того, чтобы сместить Землю с орбиты? Для этого предлагается следующий ход. Выбираем астероид помассивнее, допустим, какой-нибудь 150-километровый астероид с довольно большой массой, устанавливаем на нем очень мощную ракетную установку, которая немножко смещает его, придавая ему такой импульс, который позволит ему сблизиться с очень массивной планетой. Лучше всего с Юпитером. Вот как показано на этой схеме. Далее. Повернувшись в поле Юпитера, аппарат уходит на такую трассу полета, что в конце концов он приближается к Земле и, обмениваясь импульсом, который он захватил у Юпитера, астероид обменивается импульсом с Землей так, что Земля чуть-чуть отодвигается от Солнца. А астероид летит дальше. Можно его опять направить к Юпитеру. Конечно, дело жутко рискованное. Потому что, не дай Бог, он врежется в Землю. Наверное, наши потомки придумают, как все это сделать. И оказывается, что если тело таких размеров, о котором я говорю – 150 километров – употреблять для этого раз в 6 тысяч лет, то этого обмена вполне достаточно для того, чтобы Земля каждый раз смещалась ровно настолько, насколько будет увеличиваться облучающая ее солнечная энергия.