Александр Колтыпин. Спутник Сатурна Титан – далекий двойник Земли

Титан с частично снятым покровом атмосферы с АМС ”Кассини” (НАСА)

Наверное, каждый из вас, дорогие читатели, слышал в детстве историю о стране, где текут молочные реки с кисельными берегами. И воспринимал ее не иначе как сказку. О том, что такая страна может существовать в действительности, не могло быть и речи. Но летом 2004 года наши представления обо всем этом изменились. Страна, чем-то похожая на описанную в сказке, была открыта. Путь до нее неблизкий – семь долгих лет полета в космическом пространстве. Имя этой страны Титан – самый большой спутник Сатурна и второй по величине спутник в Солнечной системе (после спутника Юпитера Ганимеда, который больше Титана всего на 112 км). На нем есть моря, озера и реки из органического вещества (ну чем не молочные реки?), и протекают они среди органического ила (чем вам не кисельные берега?) и органического тумана. Это вещество состоит из метана и этана. На Земле оно является топливом и сырьем для получения разных соединений. И, как считают ученые, на раннем этапе развития Земли вместе с азотом, которого на Титане также очень много, служило материалом, из которого образовалась жизнь. Но обо всем по порядку…

Титан в Солнечной системе

Слева:Титан рядом с Сатурном, справа: Титан как планета (НАСА)

Титан находится на расстоянии 1 млрд. 427 млн. км от Солнца – в 9,5 раз дальше, чем Земля, и 1 млн. 222 тыс. км от Сатурна. Его диаметр составляет 5 150 км (диаметр Марса – 6 780 км); еще около 400 км приходится на атмосферу. Плотность Титана – около 1,9 г/кв.см3, а его масса в 45 раз меньше массы Земли (плотность Земли 5,52 г/кв.см3). Атмосферное давление на поверхности планеты в 1,6 раза больше земного и составляет около 1,6 бар. Атмосфера Титана состоит из азота, метана, аммиака и небольших количества этана, водяного льда и, возможно, аргона.

Атмосфера Титана. Вид из Космоса (НАСА)

Титан обращается вокруг Сатурна примерно за 16 дней, причем период его вращения совпадает с периодом вращения Сатурна. То есть он всегда повернут к Сатурну одной и той же стороной.

Титан является одним из трех тел в Солнечной системе (Венера, Земля и Титан), которые имеют плотную атмосферу.

Изучение Титана

До недавнего времени сведения о Титане были крайне скудными. Они базировались на результатах наблюдений с космического телескопа НАСА “Хаббл” и американского космического корабля “Вояджер”, который в 1980 году пролетел на расстоянии 7 000 км от этого спутника Сатурна. На основании этих наблюдений было сделано предположение о существовании на стороне Титана, противоположной Сатурну, большого “светлого континента”, который был назван Ксанаду. Ни о каких других подробностях его рельефа не говорилось, так как радары не проникли за пределы толстого облачного слоя планеты.

Новым этапом в изучении Титана стало лето 2004 года, когда международная автоматическая межпланетная станция (АМС) “Кассини”, после 7 лет полета с Земли , вышла на орбиту Сатурна. С октября 2004-го по август 2008 года она более 30 раз приближалась к Титану на расстояние от 2 000 до 950 км и с помощью мощного радара и камеры с инфракрасным фильтром провела дистанционное изучение его атмосферы и съемку поверхности. Исследователями были получены многочисленные черно-белые изображения поверхности Титана, которые подтвердили наличие на нем “светлых” континентальных областей с холмами, горными цепями, равнинами, линейно вытянутыми впадинами и метеоритными кратерами, и темных областей – морей и озер.

Изображения поверхности Титана, полученные с АМС “Кассини”. На них хорошо различимы светлые континентальные и темные морские области, моря (озера), реки, горы, метеоритные кратеры и другие структуры(НАСА)

Другим важным открытием, сделанным учеными с помощью “Кассини”, было обнаружение перемещающихся облаков в атмосфере Титана – циркуляции его атмосферы, а также постоянно происходящих разрядов молний. Иными словами, было установлено, что на Титане, как и на Земле, не только существует погода, но и происходит смена погодных условий, возможно, даже времен года.

Зонд на поверхности Титана. Художественная концепция НАСА-ЕСА

Кульминационным моментом в изучении Титана был спуск на его поверхность космического зонда Европейского космического сообщества ЕСА “Гюйгенс”, названного в честь астронома, открывшего Титан. Ожидаемое астрономами всего мира событие произошло 14 января 2005 года.

Зонд вошел в атмосферу Титана, на высоте 152 км раскрыл свой парашют и спускался в течение 2 часов 32 минут. Вначале, до высоты 30 км, он проходил сквозь густую оранжевую дымку стратосферы и тропосферы при порывах ветра до 400 км/ч. Установленные на нем приборы зафиксировали однородную смесь азота и метана в стратосфере и постепенное увеличение количества метана в тропосфере при приближении к поверхности. На высоте 30 км от поверхности планеты густая пелена рассеялась. “Гюйгенс” плавно дрейфовал по ветру, скорость которого была 6-7 км/ч, одновременно спускаясь и медленно вращаясь.

Вид поверхности Титана с зонда ЕСА ”Гюйгенс”: оригинальное и подкрашенное изображения (ЕСА)

На высоте 20 км от поверхности он прошел сквозь слой облаков, состоящих из метана, а вблизи поверхности – через туман, представленный метаном и этаном. Затем зонд упал на поверхность, напоминающую мокрый песок или глину с тонкой твердой коркой из смеси грязного водяного и гидрокарбонатного льда, и передавал на Землю сигналы (через АМС “Кассини”) еще 1 час 12 минут. Во время спуска, а также находясь на поверхности планеты, Гюйгенс фотографировал поверхность Титана. В результате на Землю было передано более 350 черно-белых изображений с разрешением 20-40 м/пиксель, снятых на высотах от 30 до 0 км.

Лучше один раз увидеть,
или Что можно различить на фотографиях Титана?

На фотографиях поверхности Титана, полученных Гюйгенсом, хорошо видна континентальная область, состоящая из горных хребтов, равнин и впадин, а также море или океан.

Они разделены хорошо различимой береговой линией (точно такой же, как на Черном, Охотском, Беринговом и других морях). Горные хребты сильно эродированы и так же, как и на Земле, с обеих сторон осложнены многочисленными распадками, лощинами и долинами.

И это еще не все! Многие распадки дают начало рекам – таким же, как и на Земле. Реки текут в сторону моря или океана и впадают в него. По пути они принимают многочисленные притоки. Длина некоторых рек достигает 1 500 км. Другими словами, то, что представлено на фотографиях поверхности Титана, полученных Гюйгенсом, может с равным успехом характеризовать многие области Земли. 

 Фотографии поверхности Титана, сделанные при спуске зонда “Гюйгенс”. Не правда ли, они удивительно похожи на аэрофотоснимки некоторых районов (Дальний Восток, Камчатка, Чукотка и др.) Земли (НАСА-ЕСА)

“Мир, похожий на Землю!” – таковы были первые возгласы ученых из НАСА и ЭСА, когда они первыми наблюдали передаваемые автоматической межпланетной станцией изображения.

В течение 2005-2008 гг. “Кассини” еще около 30 раз пролетела мимо Титана на близком расстоянии и передала на Землю большое количество фотографий, сняв в общей сложности более 20 % его поверхности.

Представленные на них изображения подтвердили большое сходство Титана с Землей и дали наглядное представление о распределении на нем континентальных областей, горных хребтов, морей, озер, рек и других элементов рельефа. Если до 2004 года ученые предполагали существование на Титане только одного континента – Ксанаду и одного морского бассейна

Фотографии поверхности Титана, сделанные при спуске зонда “Гюйгенс”. Не правда ли, они удивительно похожи на аэрофотоснимки некоторых районов (Дальний Восток, Камчатка, Чукотка и др.) Земли (НАСА-ЕСА)
Подкрашенное предыдущее изображение. Именно так должна выглядеть атмосфера Титана (НАСА-ЕСА)

– Шангри-Ла, то сейчас на нем выделены другие обширные континентальные области – Дилмун (на стороне Титана, противоположной Сатурну), Тсегихи (на стороне Титана, обращенной к Сатурну) и обширные моря сложной конфигурации Фенсал и Ацтлан с большим островом Куивира (на стороне Титана, обращенной к Сатурну), Сенкио, Белет и Чинг-Ту, разделенные полуостровом Адири (на стороне Титана, противоположной Сатурну).

              Континентальные области и морские бассейны на Титане (НАСА-ЕСА)

Площадь каждого из морей превышает 100 000 кв.км (для сравнения, площадь Каспийского моря – 371 000 кв.км, Белого моря – 90 000 кв.км, а Азовского – 32 000 кв.км). Внутри морей довольно много холмистых и гористых островов, некоторые из них превышают по размеру острова Северной Земли и остров Врангеля.

На Титане, и особенно в его северной и южной приполярных областях, установлено более 400 озер разного размера. Если площадь одних озер превышают 26 000 кв.км и они составляют около 70 % жидкой поверхности Титана, то другие – совсем маленькие. Одни озера дают начало рекам, другие – служат устьями рек.  

Многочисленные озера на поверхности Титана (НАСА-ЕСА)
Пример береговой суши с фьордами, заливами, полуостровами и островами. Как на Земле (НАСА-ЕСА)

Вдоль экватора тянется обширная область дюн, которые, как предполагают, состоят из мелких частиц водяного и гидрокарбонатного льда, вероятно, около 250 микрон в диаметре, и образовались под действием господствующих ветров, дующих с запада.

Довольно широко распространенными элементами рельефа в континентальных областях Титана являются линейные горные хребты и впадины протяженностью более 150 км и шириной более 30 км, обширные участки, похожие на сильно расчлененные плоскогорья и плато на Земле, вмещающие озера равнины, а также речные долины разнообразной конфигурации длиной более 200 км, шириной до 5 км и глубиной до 200 метров.

Странный холодный мир, удивительно похожий на Землю

Но действительно ли увиденный мир похож на Землю? Титан находится почти в 10 раз дальше от Солнца, чем Земля, и получает от него в 90 раз меньше солнечной радиации. Кроме того, его атмосфера пропускает не больше 10 % солнечных лучей, освещенность его поверхности близка к освещенности земли в сумерки.

Дюны на Титане. Удивительно напоминают аналогичные образования на Марсе и Земле (НАСА-ЕСА)

Реки (слева) и горные хребты (справа) на Титане (НАСА-ЕСА)

Согласно результатам измерения температуры температурными сенсорами Гюйгенса (TEM HASI) на поверхности Титана свирепствует лютый мороз -179°С.

Значит, Титан не простой двойник Земли. Это “царство холода с земным обличьем”. Что же тогда представляет собой жидкость в реках, морях и океанах? И какой состав у дождей и подземных источников, питающих эти реки?

Начнем с дождей. Как было установлено, облака на Титане состоят из органических соединений – гидрокарбонатов, представленных в основном метаном и, в меньшем количестве, этаном. В незначительных количествах присутствуют пропан, аммиак , ацетилен, а также водяной лед. Облака являются источниками метановых и этановых дождей. Наибольшее количество облаков сосредоточено в северной и южной полярных областях Титана. На севере это вообще зона сплошной облачности, которая накрывает Титан “одеялом” до 62°c.ш. 

Кроме того, учеными были получены доказательства существования “подземных” резервуаров метана, этана и пропана, которые находят выход на поверхности в виде гейзеров и питают реки. Реки и моря на Титане тоже состоят из метана и этана.

Зона сплошной облачности на севере Титана (НАСА-ЕСА)

Таким образом, на Титане постоянно происходит круговорот веществ: извержение газа и жидкости из недр, выпадение осадков в виде дождей или снега, осаждение вещества и испарение. Этот процесс аналогичен тому, который имеет место на Земле, только на нашей планете в круговорот вовлечена вода, а на Титане – углеводороды. Правда, на Титане тоже обнаружена вода, причем в больших количествах – в виде отложений водяного льда и потоков так называемого “криовулканического” перегретого льда или смеси жидкой воды и аммиака. По предположению ученых из университета Аризоны и Нантского университета, под поверхностью Титана может находиться океан жидкой воды с растворенным в ней аммиаком.

Внутреннее строение Титана по предположению ученых из университета Аризоны и Нантского университета (НАСА-ЕСА)

Еще одной особенностью поверхности Титана, сближающей его с Землей, являются протяженные линии и линейные зоны, разграничивающие участки с разным типом рельефа, которые нередко пересекаются друг с другом.

По мнению специалистов, они представляют собой разломы в коре этой планеты, которая состоит из смеси водяного и гидрокарбонатного льда. Кроме того, на поверхности Титана обнаружена структура, очень похожая на вулкан диаметром 30 км со стекающими с него потоками лавы – льда или смеси жидкой воды и аммиака, вулканическая кальдера диаметром 180 км, вулканические кальдеры диаметром 20-30 км и лавовые потоки из льда или смеси жидкой воды и аммиака длиной свыше 200 км.

Таким образом, Титан – это активная во всех отношениях планета, которая характеризуется:

– циркуляцией атмосферы, проявленной в образовании и переносе облаков, выпадении осадков (дождей и, возможно, снега) и смене погоды;

Линейные структуры на Титане (НАСА-ЕСА)

– эндогенной (глубинной) деятельностью, проявленной в образовании разломов и криолитовом вулканизме,

– экзогенной (поверхностной) активностью, проявленной в выветривании горных пород и отложении осадков.

В настоящее время три перечисленных типа активности одновременно отмечены только на Земле и Титане.

Как и на других планетах Солнечной системы, на Титане обнаружено несколько (достоверно два – Кса и Синлап) метеоритных кратеров диаметром от 40 до 80 км и одна гигантская кольцевая структура диаметром около 450 км, названная цирком Максимумом или Мернвой. Она, по-видимому, является древним метеоритным кратером – ограниченным кольцеобразными горными хребтами водным бассейном, который был образован при столкновении с Титаном астероида или кометы размером в десятки километров. Небольшое количество встреченных на поверхности Титана метеоритных кратеров свидетельствует о молодом возрасте его поверхности, которая продолжает формироваться в настоящее время.

Кратеры на Титане (НАСА-ЕСА)

Обитаем ли Титан?

На первый взгляд может показаться, что господствующие на поверхности Титана температуры под -180°С не позволяют даже думать о жизни на этой планете. Но это на взгляд землян, привыкших жить в более комфортных, с их точки зрения, условиях. “Нет, в таком холоде жизнь невозможна”, – наверное, сказало бы 99,9% из нас.

Но так ли это? Ведь в природе не бывает ничего случайного. В любом пригодном для жизни мире дожди, скорее всего, должны орошать землю и наполнять реки; реки, озера и моря – служить источником жидкости и местом обитания организмов, ведущих морской образ жизни. Равнины и горы должны быть местом обитания различных сухопутных организмов.

Известно, что все живые существа на Земле в основном состоят из воды. Содержание воды в разных организмах колеблется в пределах 50-75 % (наземные растения), 60-65 % (наземные позвоночные животные), 80-99 % (рыбы и морские животные и растения). А что если обитатели Титана, если они, конечно, существуют, тоже на 50 или 99 % состоят из жидкого метана или этана, а на оставшиеся 50 или 1 % из какого-то материала, способного выдерживать столь низкие температуры? Имеют ли они в этом случае твердый скелет, например из кремния, или это гелеобразные существа, подобные медузам (кстати, медузы на Земле используют азот в качестве пищи), неизвестно. Как бы то ни было, органического вещества для построения организмов и пищи для них на Титане более чем достаточно. Значит, предпосылки для развития жизни существуют. Ну а сама жизнь?..
Ясно одно: если жизнь на Титане и существует, то это, несомненно, другая жизнь, с которой будет трудно вступить в контакт.

Поверхность Титана. Художественная концепция (НАСА-ЕСА)

Выражаю искреннюю благодарность НАСА (NASA) и ЕСА (ECA) за предоставленную возможность использовать фотографии

Гипотеза о возможности существования жизни на Титане находит подтверждение в работах многих ученых. Кристофер Маккей из Эймсовского исследовательского центра НАСА, Хезер Смита из Международного космического университета в Страсбурге, Дирк Шульце-Макуха из Вашингтонского государственного университета, Дэвид Гринспуна из Дэнверского музея природы и некоторые другие исследователи считают, что столь большое содержание метана в атмосфере Титана не случайно. В самом деле, достигающие поверхность планеты солнечные лучи должны разрушать молекулы метана, и без постоянного его пополнения весь имеющийся на Титане атмосферный метан должен был бы разрушиться за 10-20 млн. лет. Предполагаемыми источниками этого газа могут быть происходящая на Титане вулканическая деятельность и существующая там жизнь. Возможность существования жизни на Титане как будто бы подтверждается уменьшением содержания водорода в нижней части его атмосферы. По мнению Кристофера Маккея, это происходит из-за того, что его потребляют живые организмы.

Источник