Kosmos

Oceany innych światów

Numer 5/2019
Nasz Układ Słoneczny nie jest wyjątkowy. Podobnych systemów istnieje wiele. Zidentyfikowaliśmy też tysiące egzoplanet. Na większości z nich panują warunki ekstremalne, ale na niektórych woda może pozostawać w stanie ciekłym. Czy powstały tam oceany podobne do ziemskich? Czy raczej składają się one ze skroplonych gazów organicznych?

Do utworzenia się typowych oceanów niezbędne są duże ilości wody, jak również odpowiednie warunki, ponieważ woda ma stan ciekły tylko w ograniczonym zakresie temperatur (w granicach 0–100°C). Skąd jednak wzięła się woda na Ziemi? Część na pewno pojawiła się na samym początku, ok. 4,5 mld lat temu, w czasie formowania się naszej planety. Część trafiła na nią wraz z kometami lodowymi i asteroidami uderzającymi w jej powierzchnię. Najprawdopodobniej w taki sam sposób woda dostała się na wszystkie inne planety skaliste – zarówno w naszym Układzie Słonecznym, jak też te orbitujące wokół gwiazd pozasłonecznych. Nie wszędzie woda mogła się utrzymać. My mamy spore szczęście – chroni nas całkiem dobrze pole magnetyczne generowane przez żelazne jądro Ziemi. Pole to chroni powierzchnię przed oddziaływaniem zewnętrznym, takim jak promieniowanie kosmiczne i wiatr słoneczny, który mógłby wywiać życiodajne cząsteczki. I właśnie dzięki temu ponad 70% naszej planety pokrywa woda.

Woda na Ziemi odgrywa kluczową rolę – dzięki niej właśnie powstało życie. Niekoniecznie stało się to w głębi oceanów, możliwe, że wydarzyło się w ciepłych sadzawkach. Trudno sobie wyobrazić powstanie życia w postaci, jaką znamy, gdyby wody nie było. Dlatego prowadzi się jej poszukiwania w innych miejscach w kosmosie.

Gdzie się podziały oceany Marsa?

Planeta ta jest sucha. Jednak badania wykonywane przez misje bezzałogowe dostarczyły sporo danych geologicznych sugerujących, że niegdyś na Marsie istniały olbrzymie obszary wypełnione wodą. Planeta ta bardziej przypominała wówczas dzisiejszą Ziemię. Istniały tam pole magnetyczne podobne do naszego i dość gęsta atmosfera. Gdy pole magnetyczne zaczęło słabnąć, zaczęła także znikać ciekła woda, pozostawiając po sobie olbrzymie obszary pustynne, pokryte głównie tlenkami żelaza. Można obrazowo napisać, że to wiatr słoneczny wywiał wodę z Marsa.

Jeszcze do niedawna wydawało się, że woda na Marsie jest obecna tylko w niewielkich ilościach w okolicach biegunów – w postaci lodu. Jednakże badania wykonywane przez NASA dowiodły, że okresowo pojawia się tam też woda ciekła. Efekty jej działania odkryto ostatnio na zboczach Hellas Planitia – gigantycznego krateru uderzeniowego na południowej półkuli Marsa. Płynie ona, żłobiąc wąskie (1–10 m) kanały na powierzchni. Nie jest to czysta woda – najprawdopodobniej mamy tu do czynienia z solanką zawierającą spore ilości nadchloranów.

Co więcej, badania wykonywane w latach 2011– 2015 sugerują, że obszary wypełnione ciekłą wodą mogą też istnieć pod czapami polarnymi. Pozwala to na tworzenie nowych hipotez dotyczących istnienia tam jakichś form życia, choć dziś trudno powiedzieć, jaki jest skład chemiczny tych oceanów. Mogą tam być obecne w sporych ilościach nadchlorany, które w warunkach ziemskich raczej niszczą, niż tworzą życie.

Wenus i Merkury

Jeśli chodzi o Wenus, to dotychczasowe badania pozwalają wykluczyć obecność ciekłej wody na jej powierzchni. Średnia temperatura znacząco przekracza tam 400°C, co wynika bezpośrednio z efektu cieplarnianego. Bardzo gęsta atmosfera Wenus składa się obecnie w dużej części z dwutlenku węgla. Panuje tam olbrzymie ciśnienie, niemal stukrotnie większe od ziemskiego. Gruba warstwa chmur otaczająca cały glob skutecznie zatrzymuje ciepło dostarczane przez Słońce, co powoduje kumulację energii i gigantyczny wzrost temperatury.

W atmosferze planety znajdują się jednak śladowe ilości pary wodnej, sięgające 0,002% (dla porównania w ziemskiej atmosferze jest to 0,4%). Wykonane ostatnio komputerowe symulacje klimatu Wenus sugerują, że 2 mld lat temu warunki nie były aż tak ekstremalne (panowały umiarkowane temperatury, jak w Polsce w okresie wiosennym) i mogły istnieć na planecie oceany podobne do ziemskich. Warto jednak pamiętać, że Wenus w przeciwieństwie do Ziemi praktycznie pozbawiona jest pola magnetycznego. Dlatego następuje na niej tzw. wywiewanie wodoru i tlenu, spowodowane oddziaływaniem wiatru słonecznego. Efekt ten został potwierdzony przez europejską sondę Venus Express, która w latach 2006–2015 wykonywała badania tej planety. Stwierdzono też, że jeśli chodzi o izotopy wodoru, to jest tam, inaczej niż na Ziemi, znacznie więcej deuteru niż protu. Deuter jest bowiem dwukrotnie cięższy od protu, co czyni go znacznie mniej podatnym na wywiewanie.

Z kolei na Merkurym (to maleńka planeta z wyjątkowo cienką atmosferą) temperatura powierzchni zwróconej ku Słońcu przekracza 400°C, podczas gdy nieoświetlonej spada do –160°C. Badania przeprowadzone przez sondę MESSENGER w 2012 r. wykazały jednak, że w okolicach biegunów istnieją niewielkie warstwy lodu, zalegające w kraterach, do których nigdy nie dociera promieniowanie słoneczne. Prawdopodobnie pochodzi on z komet lodowych wędrujących często przez nasz Układ. Przyciągane przez grawitację Słońca, rozbijały się o skalistą powierzchnię Merkurego, a część materii kometarnej – składająca się głównie z lodu – trafiała do kraterów, w których mogła przetrwać. Co ciekawe, pomimo że atmosfera Merkurego jest zdecydowanie różna od ziemskiej, znajdują się w niej też śladowe ilości wody w postaci pary.

Ciekłej wody na Merkurym prawdopodobnie nie było nigdy. Nie było i nie ma jej także na odległych planetach zewnętrznych, gazowych olbrzymach – od Jowisza do Neptuna.

Księżyce układu słonecznego

W ostatnich latach sporo uwagi poświęcono księżycom naszego systemu planetarnego – a naprawdę jest w czym wybierać, bo odkryto ich niemal 200. Europa – najmniejsza z tzw. galileuszowych księżyców Jowisza – jest tylko nieco mniejsza od ziemskiego. Na jej powierzchni nie występuje płynna woda, lecz lód, ponieważ jej średnia temperatura wynosi –171°C. Pod powierzchnią może jednak istnieć naprawdę gigantyczny ocean. Obecność wody w stanie ciekłym spowodowana jest bardzo silnym oddziaływaniem Jowisza, które generuje pływy (polegają na odkształceniu powierzchni globu) i w ten sposób też energię cieplną.

Zdjęcia wykonane przez teleskop Hubble’a sugerują występowanie lokalnych gejzerów. To miejsca, gdzie woda wydostaje się spod krzemianowo-lodowej skorupy i przekształca w parę wodną, która natychmiast ulega zestaleniu. Za kilka lat ma polecieć tam misja Europa Clipper. Projektowana przez NASA sonda dokona 45 bliskich przelotów nad powierzchnią księżyca. Będzie to misja komplementarna do badań europejskiej sondy Jupiter Icy Moon Explorer, która zbada trzy księżyce Jowisza – Ganimedesa, Kallisto i właśnie Europę. Jednym z celów obu projektów jest zebranie i analiza danych pod kątem obecności ciekłej wody pod powierzchnią Europy.

Podpowierzchniowy ocean niemal na pewno znajduje się na jednym z księżyców Saturna – Enceladusie. Badania tego ciała prowadziła amerykańska sonda Cassini. Po raz pierwszy zbliżyła się ona do powierzchni Enceladusa w 2005 r., a uzyskane zdjęcia i wyniki pomiarów zelektryzowały świat naukowy. Okazało się, że na tym malutkim globie (jego średnica wynosi zaledwie 500 km, a więc jest 7 razy mniejsza niż naszego Księżyca) na niewielkiej głębokości pod skorupą znajduje się olbrzymi ocean składający się głównie z ciekłej wody. W tym przypadku naukowcy uważają, że część ciepła pochodzi od efektu pływowego, natomiast reszta energii – z rozpadu promieniotwórczego pierwiastków znajdujących się w jądrze. Udało się zrobić zdjęcia aktywnych gejzerów, jak też w przybliżeniu zbadać skład pióropuszy materii wyrzucanej w przestrzeń (sonda Cassini przeleciała przez jeden z takich pióropuszy). Według szacunków księżyc ten traci 250 kg materii na sekundę. Składa się ona głównie z pary wodnej (ponad 90%) oraz dwutlenku węgla (ok. 5%). Resztę stanowią metan, amoniak oraz inne związki.

Badacze uważają, że ocean pod powierzchnią Enceladusa zawiera sporo jonów nieorganicznych, a jego pH może wynosić 11–12, ale na razie są to tylko daleko idące spekulacje. Pomiary ruchu księżyca na orbicie pozwoliły na oszacowanie rozmiarów tego akwenu – jego głębokość wynosi 26–31 km, a więc jest on zdecydowanie głębszy niż ziemskie oceany.

Wyniki badań Enceladusa silnie pobudziły wyobraźnię uczonych. Istnieją plany wysłania tam specjalnych misji badawczych, ukierunkowanych właśnie na poszukiwanie śladów ewentualnego życia. Jesienią 2018 r. ogłoszono, że istnieje szansa na to, że tego typu projekt może być wspólnym przedsięwzięciem NASA oraz rosyjskiego miliardera Jurija Milnera. Wstępne opracowania koncepcji, znanej pod nazwą Enceladus Life Finder, rozpoczęły się już na początku obecnej dekady. W założeniu ma to być pierwsza prawdziwie astrobiologiczna wyprawa na glob pozaziemski. Projekt był kilkakrotnie odkładany, podstawowym problemem było oczywiście finansowanie. Teraz pojawia się szansa na jego realizację, choć oczywiście nie stanie się to w ciągu najbliższych lat.

Planety pozasłoneczne

Wydaje się bardzo prawdopodobne, że planety skaliste krążące wokół innych gwiazd także mogą być pokryte oceanami, jeśli znajdują się w odpowiednich odległościach od swoich słońc. W 2014 r. NASA ogłosiła, że taką właśnie planetą może być HAT-P-11b, znana też jako Kepler-3b. Jest ona wielkości Neptuna, a badania wykazały obecność wody w jej atmosferze. Naukowcy uważają jednak, że jej powierzchnia ma zbyt wysoką temperaturę, by utrzymał się na niej ocean. Woda mogłaby występować jednak pod powierzchnią, podobnie jak w przypadku Marsa czy Enceladusa.

Znacznie bardziej prawdopodobne jest znalezienie oceanu na podobnej do Ziemi planecie Kepler 452b, znajdującej się w gwiazdozbiorze Łabędzia. Planeta ta otrzymuje bowiem tylko o 10% więcej energii gwiazdy niż Ziemia, a więc jej powierzchnia byłaby tylko trochę cieplejsza od naszej. Jeszcze większa jest szansa na odnalezienie typowych oceanów powierzchniowych na planecie Kepler-62f.

Bezpośrednia eksploracja planet pozasłonecznych pozostaje oczywiście poza naszym zasięgiem. Wydaje się jednak, że rozwój zdalnych technik obserwacyjnych pozwoli nam na uzyskanie coraz dokładniejszych informacji o tych odległych obiektach. Przecież do niedawna wydawało się, że w ogóle nie ma szans na ich detekcję, a dziś już uzyskujemy nawet informacje o ich atmosferze.

Morza egzotyczne

Już od jakiegoś czasu podejrzewano, że na powierzchni odległych globów, gdzie panuje ekstremalnie niska temperatura, mogą istnieć morza czy też oceany wypełnione innymi cieczami niż woda. Tutaj badacze kosmosu mogą się pochwalić dużym sukcesem. Już kilkadziesiąt lat temu wyniki obserwacji prowadzonych przez sondy Voyager 1 i 2 sugerowały możliwość występowania ciekłego metanu na największym z księżyców Saturna – Tytanie. Dalszych, jednoznacznych dowodów dostarczyła wspomniana wcześniej sonda Cassini. W 2007 r. badacze ogłosili, że na powierzchni Tytana znajdują się olbrzymie morza wypełnione ciekłym metanem. Ten sam związek występuje w dużych ilościach w dość gęstej atmosferze tego globu. Wygląda więc na to, że tak jak na Ziemi mamy zbiorniki wodne zasilane deszczem, tak też na Tytanie są podobne zjawiska, tyle że tam pada deszcz metanowy. Analizy wyników badań wykonanych przez sondę Cassini sugerują z kolei, że pod powierzchnią Tytana może istnieć słony ocean podobny do tego na Enceladusie.

NASA zamierza wysłać tam nie tylko lądownik, ale też urządzenie, które będzie eksplorować jedno z metanowych mórz (Titan Sub). Ma to być specjalna łódź podwodna (właściwie chyba podmetanowa) wyposażona w aparaturę badawczą oraz kamery. Konstrukcja takiego urządzenia oznacza wielkie wyzwanie. Nie znamy dokładnie składu morza – na pewno jest tam głównie metan, ale może być to mieszanina wielu węglowodorów – nie znamy więc jego gęstości, a to podstawa, jeśli chcemy, aby łódź poruszała się swobodnie na różnych głębokościach. Wielkim problemem jest też temperatura, która wynosi tam ok. –180°C. Aby urządzenia działały bez problemu, konieczne staje się zaprojektowanie doskonałej izolacji oraz zasilania. Całość musi działać w pełni autonomicznie, ponieważ zanurzona łódź nie będzie miała kontaktu z Ziemią. Pomysł misji narodził się już kilkanaście lat temu, ale jego realizacja jest cały czas odkładana w czasie. Podróż po jednym z mórz Tytana (Kraken Sea albo Ligeia Sea) będzie można obejrzeć najwcześniej po 2030 r.

Całkiem prawdopodobne, że organiczne oceany czy jeziora znajdują się też na innych księżycach lub planetach, ale na razie poszukiwania ich nie dały rezultatu.

dr n. chem. Mirosław Dworniczak

01.05.2019 Numer 5/2019

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną