Глава 16 Планети-гиганти и техните спътници

Четирите планети –гиганти на нашата Слънчева система: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, силно се отличават от твърдите планети от земната група, които са ни добре познати. Благодарение на колосалната си маса, планетите гиганти могат да удържат атмосфери, богати на водород и други леки елементи, и затова са близки по своя химичен състав към първичната мъглявина, от която е кондензирала Слънчевата система. Това твърдение е най-вярно за Юпитер, най-голямата и близка до нас от планетите-гиганти. Така че Юпитер е една огромна природна лаборатория, където могат да се проверят нашите предположения за химическите реакции, протичали в ранната Слънчева система.

Благодарение на голямата маса, планетите-гиганти задържат обширна система от спътници и пръстени и имат необикновен вътрешен строеж. Ако би ни се отдало с помощта на космическа сонда да проникнем през атмосферата на тези небесни тела в дълбочина на недрата им, бихме открили, че планетите-гиганти нямат твърда повърхност. Просто техните извънредно разширени атмосфери стават все по-плътни и по-плътни, докато постепенно водородът не премине в метална фаза.

При Юпитер и Сатурн този необикновен вътрешен строеж води до възникване на силно магнитно поле. Когато астрономите най-напред пристъпили към радионаблюдения, били поразени, като открили, че Юпитер изпуска интензивен поток радиоизлъчване, особено на дълги вълни (т.е. на низки честоти). В дециметровия диапазон, най-късовълновото от използвоните за наземна радиовръзка, Юпитер понякога излъчва по-силно, от всеки друг обект в Слънчевата система, в това число и Слънцето. Интензивността на радиоизлъчването на Юпитер се обяснява със силното магнитно поле, интензитетът на което над десет пъти превишава интензитета на геомагнитното поле. Юпитер се върти по-бързо от другите планети, извършвайки един оборот за по-малко от 10 часа, и при това неговото магнитно поле увлича със себе си заредени частици, които се движат по орбити, близки до планетата. Някои от тези частици генерират къси радиовълни в синхротронен процес, а другите излъчват на по-големи дължини при взаимодействие с йоносферата на планетата. Последните очевидно се възбуждат от движението на Йо, най-големият вътрешен спътник на Юпитер, но как точно става, засега не знаем. Сатурн също притежава магнитно поле, макар и не толкова силно, както Юпитер.

За да се покаже в каква степен е първичен елементният състав на планетите-гиганти, могат да се проведат прости сметки. Да разгледаме смес от химични елементи в същите съотношения, както на Слънцето и другите звезди, и дадем на тези елементи възможност да се съединяват един с друг и да образуват молекули по всички възможни начини. Ако приблизително зададем налягане и температура, то не е сложно да се промоделират условията в атмосферите на планетите-гиганти при тяхното формиране от първичния газово-прахов облак, от който се е образувала Слънчевата система. Основните съединения, които може да се предскажат при този разчет, съвпадат със съединенията, преобладаващи в атмосферата на Юпитер и неговите съседи: метан, амоняк, водна пара и излишък на вездесъщия водород. (хелият също трябва да бъде доста разпространен, а неонът трябва да присъства в такова съотношение, както амоняка, но тъй като тези два газа са инертни, няма да им отделяме много внимание.

Тези съединения различават външните планети от четирите планети от земната група. Венера, Земята и Марс притежават вторични атмосфери, които са възникнали в резултат на дегазация, т.е. отделяне на летливите елементи от скалите, образуващи планетата. Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун имат първични атмосфери, състоящи се от вещества, химичния състав на който се запазил от времето на образуване на Слънчевата система преди 4,6 млрд. години.

Много учени предполагали, че тази богата на водород среда, отразява условията на първичната Земя. Но трябва да се подчертае, че аналогията между Юпитер и първичната Земя се нарушава от редица съществени различия между тези планети. Първо, Юпитер, масата на когото превишава земната маса 318 пъти, е способен да удържа водорода, затова на Юпитер винаги ще има много атоми водород, които могат до се съединяват с други елементи или фрагменти от молекули. Земята, обратно, бързо загубила своя водород, както първичен, така и възникващ при дисоциации на молекулите, което оситурило среда, по-подходяща за развитие на сложна биохимия. Второ, Юпитер няма твърда повърхност, а значи и участъци с подходящ микроклимат, такива като приливните или пресъхващите водоеми на Земята, в които биха могли да се концентрират продуктите на химичните реакции, протичащи в атмосферата. На Юпитер е невъзможно и каталитично стимулиране на химични реакции на повърхността на почвата, примерно частици глина, които вероятно са изиграли важна роля на Земята.

В допълнение към тези решаващи различия между Юпитер и Земята е друг проблем за произход на живота, свързан с вертикална конвекция в атмосферата на Юпитер. Тази конвекция създава атмосферна циркулация между сравнително хладните горни области и долните слоеве на атмосферата, където температурата е достатъчно висока (над 700°С), за да разруши сложните молекули. Периодът на циркулация вероятно е много по-малък от година, затова всякакви сложни молекули, образуващи се в горната атмосфера, ще бъдат разрушени в резултат на стълкновенията при относително високите температури в долните слоеве за този интервал от време. Съществува промеждутъчно ниво, където условията са по-добри. По оценки на учените, водната пара ще кондензира в облака в област с температура около 27°С и налягане, няколко пъти превишаващо наляганито на повърхността на Земята. Но газът в тази област се намира в постоянно движение, циркулирайки между различните слоеве, така че на разглежданото ниво водната пара непрекъснато кондензира и едновременно се изпарява. По-горе в атмосферата мястото на водната пара се заема от амоняк и сяра, образувайки облак, който ние виждаме от Земята. Там, където има облак от капки течност, съществува гръмотевична активност, тъй като силната вертикална конвекция може да доведе до разделяне на зарядите. Действително са регистрирани в облаците на Юпитер електрични заряди.

Защо при потапяне във все по-плътната атмосфера на Юпитер температурата нараства. Изненадващо причината се състои в това, че потокът топлина, който идва от недрата на Юпитер, е по-голям от постъпващия от Слънцето. Тази топлина вероятно е обусловена от бавното свиване на недрата на Юпитер, подобно на процеса но свиване (но в значително по-голям мащаб), който толкова повишил температурата в недрата на Слънцето, че там започнали термоядрени реакции на синтез. Но в недрата на Юпитер, масата на който е хиляди пъти по-малка от масата на Слънцето, температурата никога не се вдига толкова, че да се превърне в звезда. Масите на Сатурн, Уран и Нептун са по-малки от на Юпитер, затова те генерират в своите недра по-малка топлинна енергия. Плутон, очевидно представлява неголямо ледено небесно тяло, повече приличащо на на спътник на планета, отколкото но планета- гигант.

Въпреки огромните различия между Юпитер и Земята, интересът към този гигант на Слънчевата система е свързан с разглеждане на начини на възникване на живота. Юпитер позволява да се изучават условията, подобни на ония, които са съществували преди 4,6 млрд. години в периода на формиране на Слънчевата система. Тук може да се направи аналогия с племе от първобитни хора, което сме открили на етап на формиране на езика. Какви звуци съответстват на един или друг предмет? Защо именно тези звуци са свързани с тези предмети? Как и кога са се появили такива понятия като време, пространство, любов? Ако беше възможно да наблюдаваме нашите предци, без да встъпваме в контакт с тях, ние бихме узнали много за нашата собствена еволюция в резултат на такъв експеримент. Точно така се надяваме да узнаем нещо за възможните начини за развитие на добиологичната химия в протослънчевия облак, изучавайки химичните реакции на Юпитер.

От редица факти следва, че такива реакции протичат и сега. Астрономите открили, че наред с посочените по-горе газове, атмосферата на Юпитер съдържа следи от съединения, които не се предсказват от нашия теоретичен модел, в това число въглероден оксид СО, ацетилен С₂Н₂ и етан С₂Н₆. Тъй като тези газове бързо реаагират с водорода с обарзуване на метан СН₄, те не могат да съществуват дълго при условие че няма да възникват в реакции между другите атмосферни компоненти. Ултравиолетовото излъчване на Слънцето осигурява енергия за образуване на С₂Н₂ и С₂Н₆ от СН₄ в горната атмосфера на Юпитер, докато топлинната енергия от недрата на планетата води до образуване на СО от СН₄ и Н₂0 в по-дълбоките слоеве, значително по-низко от видимите облаци. Има ли в атмосферата на Юпитер и по-сложни молекули?

Вторият известен факт води към утвърдителен отговор: в цвета на облаците на Юпитер няма бял или сив цвят, които би трябвало да си наблюдават при отражение на слънчевата светлина от замръзнала вода или амоняк. Те са оцветени в различни нежни тонове, например Голямото червено петно има оранжево-розов отенък. Какви съединения придават на облаците тези цветове? Как те са се образували? Напомнят ли химичните процеси на тяхното образуване добиологичните реакции на първичната Земя?

Тези ключови въпроси остават без отговор. Две алтернативни теории се опитват да обяснят оцветяването на Юпитер. Някои учени предполагат, че то е обусловено от неорганични съединения, възникващи при химични процеси в атмосферата. Жълтите и кафяви нюанси се създават от атомите сяра в комбинация с амоняк или в чист вид. Голямото червено петное възможно да дължи отенъка си на присъствието на червен фосфор, образуващ се при при химични реакции с участие на газа фосфин (фосфороводореден газ) РН₃, който е открит в атмосферата на Юпитер. Привържениците на другата теория се опират на лабораторно моделиране на атмосферата на Юпитер, при което оцветените съединения се получават при осветяване с ултравиолетово лъчение на подходяща смес от метан и амоняк или при доставка на енергия от друг източник, например при електрически разряд, моделиращ светкавица. В тези експерименти неизменно се получавал богат набор от органични съединения, при това някои от тях имат цвета на облаците на Юпитер. Напълно е възможно на Юпитер да протичат двата типа процеси, при това и едните и другите обезпечават образуване на съединения с наблюдаваните цветове. Сега можем само да гадаем, какви още съединения се образуват на Юпитер, но при съвременното ниво на нашите знания е доста вероятно при по-внимателно изследване на планетата да бъдат открити предварителните стадии на добиологичната органична химия.

Ние съсредоточихме внимание основно на Юпитер, защото тя е най-изследваната от планетите-гиганти. Но между гигантите съществуват различия. Колкото и красив да е Сатурн, на него няма оцветени облаци, както на Юпитер и нищо, което да прилича на Голямото червено петно. На Сатурн се наблюдава дебел слой амонячни перести облаци, изцяло покриващи долната по-топла атмосфера, която е възможно да прилича на атмосферата на Юпитер. Тези плътни облаци са обусловени от по-ниската температура на горната атмосфера на Сатурн, заради голямото разстояние на планетата до Слънцето. Достъпните за наблюдения слоеве на атмосферите на Уран и Нептун са толкова студени, че не могат да се открият даже следи от амоняк, който вероятно замръзва на по-малки височини. Какво става още по-надолу не е известно, но радиоизлъчването от тези височини показва, че тяхната температура е по-висока от 0°С.

Външните планети представляват интересна среда за изучаване на добиолотичната химия. Но от това изучаване до възможностите за откриване на самия живот вероятно е много далече. Може ли уверено да се твърди, че на планетите-гиганти няма живот? Така смятат Сейгън и Солпитер, двама известни астрономи. Те твърдят, че след като е неизвестно как се е зародил животът на Земята, не могат да се определят необходимите условия за поява на живот на планета, толкова силно различаваща се от Земята, както Юпитер. След като се е зародил животът, живите организми могат сами да регулират своята околно среда. Следователно, напълно е възможно живи организми на Юпитер или Сатурн да успеят да преодолеят някои от описаните по-горе препятствия. Гигантски, подобни на въздушни кълба същества, използващи водород за поддържане на плаваемостта, биха могли да дрейфат или летят в горната атмосфера на Юпитер с такава лекота, с каквато вие четете тези редове, и да бъдат членове (възможни) на екологичната система на Юпитер, в която едни видове стават жертва на други. Най-вероятно убежище за такива форми на живот се явява Юпитер, защото от четирите планети-гиганти той имо най-висока химична активност. Но разсъждавайки в най-обща форма, можем да си представим подобни същества, плаващи в атмосферата на всяка планета-гигант. За съжаление тези предположения не увеличават обема на научното знание. Все по-голямото проникване в същността на живота на Земята и неуспешните опити да се намери живот на Марс, карат някои по-скептично да гледат на възможността за откриване на живот на всеки небесен обект, живот, приспособяващ се към дадена конкретна среда. Пристъпвайки към изучаване на планетите от Слънчевата система, ние вече губим в търсенето на живот с резултат 1:3. При такъв резултат не трябва априори да се твърди, че на всяка планета трябва да има живот на повърхността или във вътрешността. И все пак, като отчитаме колко малко знаем за условията на Юпитер и за универсалността на живота, не следва прекалено бързо да се отказваме от увлекателната възможност за съществуване на живот на Юпитер.

Няма да се ограничаваме само с планетите. Всяка от планетите-гиганти имаа развита система от спътници – най-голяма свита от 21 спътника притежава Сатурн. Сатурн, Уран и Юпитер са обкръжени от системи от пръстени. Всяка от системата пръстени се разполага достатъчно близо до своята планета, така че разликата в силата на притегляне на две съседни частици от пръстена на планетата превишава взаимното притегляне на тези частици. Границата, в рамките на която се изпълнява това условие, се нарича граница на Рош, на името на откривателя й. Така пръстените се състоят от вещество, което не може да се събере заедно и да образува спътник, защото е разположено прекалено близо до планетата и нейното гравитационно въздействие пречи на сгъстяването на веществото. Милиони малки спътници, от които се състоят наблюдаваните днес пръстени, остават на постоянни орбити благодарение на гравитационното въздействие на планетата и системата й от спътници.

Да разгледаме известните спътници. Четирите най-големи спътници били открити от Галилей, а неговият съвременник Мариус им дал имената на четирите възлюбени на Юпитер: Йо, Европа, Ганимед и Калисто. Те са големи обекти с трърда повърхност (три от тях са по-големи от Луната). Те достатъчно добре възпроизвеждат крупно-мащабните характеристики на Слънчевата система: вътрешните спътници Йо и Европа имат плътност на веществото, подобна на плътността на вътрешните планети, а Ганимед и Калисто напомнят на външните планети с малки плътности поради голямото количество лед в техните недра.

Тези най-големи обекти са изследвани внимателно от космическите апарати „Вояджер-1 и 2” през 1979 г. и поднесли много изненади. Липсват големи метеоритни кратери на Калисто; признаци за движение на пластовете в кората на Ганимед; сложна мрежа от линии на Европа; действащи вулкани на Йо. Калисто и Ганимед изглеждат като обекти, съдържащи голюмо количество лед в недрата си, а мрежата от линии на Европа може да е предизвикана от напукване на нейната повърхност под действие на вътрешни напрежения. Тези напрежения могат да се предизвикат от същата причина, както и вулканичната активност на Йо: под действие на приливните сили на огромния Юпитер. На Йо, намиращ се на много близка орбита до Юпитер, действието на тези приливни сили е толкова голямо, че недрата на Йо са почти изцяло разтопени. Тъмните петна на повърхността били изтълкувани като езера от течна сяра. Този спътник е обкръжен с облак, състоящ се атоми на сяра, натрий и калий, който може да се наблюдава от Земята.

Спътниците на Юпитер са удивителни малки светове, но трябва да признаем, че те не ни помагат много в нашите търсения на живот и неговите предвестници. Другите спътници на Юпитер са толкова по-малки от Галилеевите, че не представляват интерес за разглежданите тук конкретни цели.

Спътниците на Сатурн са доста разнообразни. Всички изследвани спътници имат низки плътности, в ред случаи равни на плътността на воден лед. Най-големият спътник Титан е по-голям от Меркурий. За нас той представлява интерес благодарение на своята атмосфера, в която е открито наличие на метан. Астрономите са установили, че той има необикновен червен цвят. Титан е обект, който е загубил водорода поради достатъчно малките си размери (подобно на планетите от земната група), но притежаващ възстановителна атмосфера (подобно на планетите-гиганти), с твърда повърхност, на която могат да се натрупват сложни молекули, образуващи се в резултат на енергията на слънчевото излъчване или някакъв местен източник.

До мисията „Вояджер-1” било известно, че в атмосферата на Титан има неголеми количества етан, ацетилен и вероятно етилен. Предполагало се, че тези газове са се образували в резултат на фотохимични реакции, както в атмосферите на Юпитер и Сатурн. Но на Титан няма водород, затова метанът отива за образуване на други въглеводороди и постепенно изчезва. Точно така са смятали, че молекулите амоняк, първоначално съдържащи се в атмосферата, се разпаднали и образували други съединения, в това число и голямо количество молекулярен азот. Наред с това предполагали, че червеникавото оцветяване на Титан е обусловено от фотохимичен смог, с възможно съдържание на органични полимери, такива като полиацетилен. Този смог, много тъмен в ултравиолетова и видима светлина, трябва да води към нагряване на горната атмосфера на спътника (трябва да кажем достатъчно прохладна: — 100°С). Трудно е било да се измери температурата на повърхността, тъй като нейният слаб радиосигнал се губи в мощния поток радиоизлъчване от Сатурн. В 1980 г. на основата на измерване с помощта на система от радиотелескопи, работещи по метода на апертурния анализ, бил направен извод че температурата на неговата повърхност е — 186 + 9°С, т.е. по-ниска, отколкото на горната атмосфера. Тези наблюдения са смятани за по-надеждни, тъй като по този метод радиосигнала от Титан се отделя топлинното радиоизлъчване на Сатурн.

Но след близкото преминаване на «Вояджер-1» през 1980 г. Се наложило тази картина да се допълни. Монтираната на борда апаратура регистрирала в горните слоеве на атмосферата характерните емисионни линии на атомарен молекулярен азот. Наблюденията по пречупване на радиосигналите в атмосферата, изпращани от «Вояджер-1» при преминаването му зад диска на Титан, показали, че атмосферата е много мощна и налягането на повърхността е 1,6 пъти по-голямо, отколкото на Земята. С отчитане на по-малката сила на тежестта на повърхността на Титан може да се каже, че неговата атмосфера превъзхожда 8 пъти по плътност земната. Като се обединят резултатите, учените установили, че атмосферата на Титан се състои 95% от азот, в съответствие с предказанията, направени с модела на фотохимичното разлагане на амоняка. При този експеримент била измерена температура на повърхността от — 180°С. При тази температура метанът в атмосферата се превръща в пари, а на повърхността замръзва. Излиза, че метанът на Титан може да играе същата роля, както водните пари на Земята, т.е. намерен е още един обект в Слънчевата система, който може би съдържа течно вещество на повърхността. Метанови океани? Не е изключено!

За съжаление не се отдало да се получат снимки, които да потвърдят изложената картина, тъй като фотоапаратите на «Вояджер-1» не успели да «видят» повърхността на Титан. Фотохимичният смог се оказал толкова всеобхватен и непроницаем, че даже на снимките, снети с голяма разделителна способност, не могат да се видят макар и малки парчета от повърхността. Но смогът сам по себе си представлява интерес, тъй като сега е ясно, че той съдържа органични съединения. Инфрачервеният фотометър добавил към списъка с молекули, съдържащи се в атмосферата, пропан, метилацетилен, водород и циановодород.

Съществуването на циановодород в атмосферата на Титан още повече привлича вниманието към този спътник. Както видяхме, това съединение играе важна роля в еволюцията на по-сложните добиологически молекули. На Титан HCN може да се полимеризира, внасяйки принос в фотохимичния смог. Този смог постепенно се нагласява на повърхността като попада в резервоарите на течен метан. Не е изключено на ранни етапи от еволюцията на Титан (както и на Марс) да е било по-топло и на неговата повърхност да е имало течен амоняк. В онези далечни времена са протичали по-разнообразни химични реакции, отколкото сега. Във всеки случай химичните съединения би трябвало добре да се запазят в този леден свят, замръзнали във възстановителната атмосфера и надеждно защитени от окисление, което е унищожило органичните съединения на повърхността на Марс. Очевидно това е подходящо място, където трябва да се отправим за изучаване на реликтови останки от химичния синтез във възстановителната атмосфера.

Естествено се поставя въпросът за живот на Титан. При температура — 180°С химичните реакции протичат извънредно бавно. Освен това, при такива низки температури няма свободен кислород, той напълно е заключен в замръзналата вода. Няма течна вода, няма съединения на кислорода, значи няма аминокиселини и познати ни форми на живот. Живот от всякакъв вид при тези условия ще се сблъска с много низки температури, бавно протичащи химични реакции и липса на свободна енергия.

Космически полет във външните области на Слънчевата система

Космическите апарати „Вояджер” и „Пионер” напуснаха Слънчевата система. Тези посланици на Земята носят вести от нейните обитатели. На борда на всеки апарат има дълтосвиреща грамофонна плоча, анодирана със злато за предпазване от ерозия под действие на чаастиците междузвезден прах. Ако друга цивилизация някога намери космическия кораб и разбере, че записът съдържа не само звуци, но и снимки, закодирани под формата на еквивалентни звукови сигнали, те могат да чуят звуците на Земята и да видят снимки на нашата планета и нейните обитатели.

Два идентични записа съдържат по сто снимки, на които са показани земни пейзажи, човешката дейност и плодовете на прогреса, океани, различни растения и животни и няколко лесно разпознаваеми астрономически обекти. Звуковият запис съдържа мостри от национална музика, приветствия на 80 езика и музикални произведения на Бах, Бетовен, Стравински и Чака Бери. Като изпращаме послания на борда на „Пионер” и „Вояджер”, ние следваме примера на древните култури, създавайки творения, които дълго да ни надживеят и да запазят свидетелства за нашите достижения. Въпреки нищожната вероятност тези обекти някога да бъдат открити, ние изпращаме своите творения да пътуват в космическия океан, както мореплавателите изпращат писмо в бутилка.

Изводи

Всяка от четирите планети-гиганти: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, превъзхожда по маса и размери Земята, най-голямата от планетите от земната група. За разлика от твърдите Меркурий, Венера, Земя и Марс четирите гиганта представляват газово-течни сфери, състоящи се главно от водород и хелий. Техният химичен състав е по-близо до състава на звездите и останалата Вселена, отколкото до планетите от земната група.

Масите на Юпитер, Сатурн и Нептун са толкова големи, че тяхното бавно свиване под действие на собствените гравитационни сили освобождава значително количество топлина. Уран също притежава това свойство, но в доста по-малка степен. Водородно-хелиевият състав на планетите-гиганти е обусловенот това, че те са запазили значителна част от първичното си вещество. По-малките планети от земната група имат относително тънки вторични атмосфери, образували се в резултат на вулканична дейност, след като водородът и хелият излетели. Това фундаментално различие се обяснява с това, че планетите-гиганти притежават големи начални маси и се намират далеч от Слънцето.

Най-добре е изследван Юпитер. Освен водород и хелий, неговата атмосфера съдържа метан, амоняк и водна пара, т.е. точно онези газове, които следва да се очакват на обект с химичен състав, определен от състава на протопланетния облак. Но в слоевете облаци там откриваме също оцветено вещество, показващо образуване на по-сложни съединения под действие на ултравиолетовото излъчване, електрични разряди и топлинна енергия. Някои от тези съединения е възможно да прилича на съединенията, възникващи на първичната Земя или попадащи на повърхността на нашата планета с комети и метеорити преди възникване на живота. Най-известната оцветена област е Голямото червено петно, чиято природа е неизвестна. Подобни явления могат да се срещат и в долната атмосфера на Сатурн, но тя е закрита от дебел слой амонячни облаци.

Всяка планета-гигант има система от спътници. Плутон повече прилича на леден спътник, отколкото на планета, но и той очевидно има спътник (понякога говорят за двойна планета). Три спътника на Юпитер са по-големи от Луната, а на единия, Йо, има вулканична активност, обусловена от въздействието на приливните сили на Юпитер на неговите недра.

Особен интерес представлява Титан, който има мощна химически активна атмосфера. Макар тя да се състои главно от азот, съдържа в неголеми количества съединения, които й придават червеникаво оцветяване, и органични аерозоли, скриващи от нас повърхността на Титан. Ако се окажете на Титан, може би бихте видели на слаба светлина, че стоите на брега на метаново море, в което бавно падат аерозолни частици и метанов сняг. А почвата е възможно да се състои от метанов лед и органични съединения. Скалите на Титан се намират дълбоко в недрата. На неговата повърхност е възможно да са се запазили в замръзнало състояние реликтови останки от спонтанните химични реакции, протичащи във вътрешните области на Слънчевата система на ранни стадии от еволюцията на планетите.