;
Кейсы 22 января 2021

Спутник Сатурна Титан удивительно похож на Землю. Какие у человечества на него планы?

Далее

Хотя Марс определенно интересен с научной точки зрения, не все ученые считают его привлекательным в качестве долгосрочного места обитания человека. Однако, кроме Красной планеты, еще одно место в нашей Солнечной системе, где условия для самоподдерживающегося, долгосрочного поселения людей можно назвать подходящими. Речь идет о спутнике Сатурна — Титане. Недавно ученым удалось измерить глубину одного из самых больших озер на этой луне. Рассказываем, почему это важно, как сейчас изучается Титан и какие на него планы у человечества.

Как далеко от Земли находится Титан?

Титан — шестая луна планеты Сатурн, шестой планеты от Солнца.

Самый большой спутник Сатурна, Титан, — это ледяной мир, поверхность которого полностью скрыта туманной атмосферой золотистого оттенка. Титан — вторая по величине луна в нашей солнечной системе. Только спутник Юпитера — Ганимед — больше, и то всего на всего на 2%. Титан больше, чем Луна Земли, и даже больше, чем планета Меркурий.

Эта гигантская луна — единственная луна в Солнечной системе с плотной атмосферой. Кроме того, это единственный мир, помимо Земли, на поверхности которого есть реки, озера и моря. Как и Земля, атмосфера Титана состоит в основном из азота и небольшого количества метана. Это единственное место в Солнечной системе, кроме Земли, где, как известно, существует привычный нам цикл жидкостей. Из облаков они попадают на поверхность луны и заполняют озера и моря, а после испаряются и испаряющихся обратно в небо. Также считается, что у Титана есть подледный океан, который по солености похож на Мертвое море.

Размер и расстояние

Радиус Титана составляет около 2 575 км, он почти  на 50% шире Луны. Титан находится примерно на 1,2 млн км от Сатурна, что само по себе составляет примерно 1,4 млрд км от Солнца, или около 9,5 а.е. (астрономических единиц). Одна а.е. — это расстояние от Земли до Солнца. Свет от Солнца достигает Титана примерно за 80 минут; из-за большого расстояния солнечный свет на Сатурне и Титане примерно в 100 раз слабее, чем на Земле.

Титану требуется 15 дней и 22 часа, чтобы совершить полный оборот вокруг Сатурна. Как и Луна Земли, Титан всегда показывает планете одно и то же «лицо», когда он вращается по орбите. Сатурну требуется около 29 земных лет, чтобы обернуться вокруг Солнца, а ось вращения газового гиганта наклонена, как и у Земли, что означает смену времен года. Правда, каждый такой сезон длится более семи земных лет. Каждый из них на Титане находится в том же графике, что и у Сатурна — сезоны длятся более семи земных лет, полный цикл занимает 29 земных лет.

Формирование

Ученые не уверены в происхождении Титана. Однако его атмосфера дает ключ к разгадке. Несколько инструментов НАСА и ЕКА «Кассини-Гюйгенс» измерили изотопы азота-14 и азота-15 в атмосфере Титана. Инструменты обнаружили, что соотношение изотопов азота на Титане больше всего похоже на соотношение изотопов азота в кометах из Облака Оорта — сферы из сотен миллиардов ледяных тел, которые, как считается, вращаются вокруг Солнца на расстоянии от 5 000 до 100 000 а.е. — примерно 150 млн км. Соотношение азота в атмосфере Титана предполагает, что строительные блоки этой луны сформировались в начале истории Солнечной системы в том же холодном диске из газа и пыли, который  сформировал Солнце (так называемая протосолнечная туманность),

Поверхность

Кстати, поверхность Титана — одно из наиболее похожих на Землю мест в Солнечной системе, хотя и температуры там гораздо ниже, а само «покрытие» отличается другим химическим составом. Здесь настолько холодно (–179 °C), что лед из воды больше похож на камни. На Титане, как и на Земле, возможна вулканическая активность, но с жидкой водной «лавой» вместо расплавленной породы. Поверхность Титана сформирована потоками метана и этана, которые прорезают русла рек и наполняют большие озера сжиженным природным газом. Ни один другой мир в Солнечной системе, кроме Земли, не имеет такой жидкой активности на своей поверхности.

Атмосфера

Наша Солнечная система является домом для более чем 150 лун, но Титан уникален тем, что является единственной луной с плотной атмосферой. На поверхности Титана атмосферное давление примерно на 60% выше, чем на Земле — примерно такое, которое человек чувствовал бы, плывя на глубине около 15 метров под поверхностью в океане на Земле. Поскольку Титан менее массивен, чем Земля, его гравитация не так сильно удерживает его газовую оболочку, поэтому атмосфера простирается на высоту, в 10 раз превышающую земную — почти 600 км в космос.

Атмосфера Титана в основном состоит из азота (около 95%) и метана (около 5%) с небольшим количеством других соединений, богатых углеродом. Высоко в атмосфере Титана молекулы метана и азота разделяются ультрафиолетовым светом Солнца и частицами высокой энергии, ускоренными в магнитном поле Сатурна. Части этих молекул рекомбинируют, образуя различные органические химические вещества (вещества, содержащие углерод и водород), и часто включают азот, кислород и другие элементы, важные для жизни на Земле. Некоторые из соединений, образующихся в результате этого расщепления и переработки метана и азота, создают своего рода смог — густую дымку оранжевого цвета, из-за которой поверхность Луны трудно рассмотреть из космоса. (Однако космические аппараты и телескопы могут видеть сквозь дымку на определенных длинах волн света за пределами видимых человеческим глазом).

Как изучался Титан и какие миссии его ждут?

«Кассини-Гюйгенс»

На протяжении более десяти лет космический корабль НАСА «Кассини» делился чудесами Сатурна и его семейства ледяных лун, перенося нас в удивительные миры. Cassini доставил пассажира к системе лун Сатурна — европейский зонд «Гюйгенс» — первый искусственный объект, приземлившийся на планете в далекой внешней Солнечной системе

После 20 лет в космосе, 13 из которых исследовал Сатурн, корабль исчерпал запас топлива. Как объяснили в НАСА, чтобы защитить луны планеты, «Кассини» был отправлен на последнюю дерзкую миссию, которая и решила его судьбу. 15 сентября 2017 года, в 14:55:06 по московскому времени корабль завершил свою 20-летнюю миссию в системе Сатурна и сгорел в атмосфере газового гиганта, успев отравить последние данные о газовом гиганте на Землю. НАСА транслировало последние минуты жизни космического зонда в прямом эфире.

«Кассини-Гюйгенс» показал, что Титан — один из наиболее похожих на Землю миров, с которыми мы сталкивались, и пролил свет на историю нашей родной планеты. Дело в том, что «Кассини» был в некотором смысле машиной времени. Он выявил процессы, которые, вероятно, сформировали развитие нашей Солнечной системы. Долгая миссия Кассини позволила наблюдать погоду и сезонные изменения на другой планете. Миссия показала, что спутники Сатурна — уникальные миры, которые могут рассказать свои истории.

«Кассини-Гюйгенс» показал, что Титан — один из наиболее похожих на Землю миров, с которыми мы сталкивались, и пролил свет на историю нашей родной планеты. Дело в в том, что «Кассини» был в некотором смысле машиной времени. Он выявил процессы, которые, вероятно, сформировали развитие нашей Солнечной системы. Долгая миссия «Кассини» позволила наблюдать погоду и сезонные изменения на другой планете. Миссия показала, что спутники Сатурна — уникальные миры, которые могут рассказать свои истории. Многочисленные измерения силы тяжести Титана космическим аппаратом «Кассини» показали, что Луна скрывает подземный океан жидкой воды (вероятно, смешанной с солями и аммиаком).

Зонд Европейского космического агентства «Гюйгенс» также измерял радиосигналы во время спуска на поверхность в 2005 году, что убедительно свидетельствовало о наличии океана на 55–80 км под ледяной землей. Открытие глобального океана жидкой воды добавляет Титана к горстке миров в нашей Солнечной системе, которые потенциально могут содержать обитаемую среду. Кроме того, реки, озера и моря Титана из жидкого метана и этана могут служить обитаемой средой на поверхности луны, хотя любая жизнь там, вероятно, будет сильно отличаться от жизни на Земле. Хотя пока нет доказательств существования жизни на Титане, его сложный химический состав и уникальная среда сделали его местом для дальнейших исследований.

Dragonfly

Летом 2019 года НАСА объявило, что следующая цель в Солнечной системе — уникальный, богато органический мир Титана. Продвигая поиск строительных блоков жизни, миссия Dragonfly будет совершать несколько вылетов, чтобы исследовать участки вокруг ледяной луны Сатурна.

Изначально запуск Dragonfly был запланирован на 2026 год с и прибытием в 2034 году. Однако в сентябре 2020 года НАСА попросило команду Dragonfly уточнить альтернативную дату готовности к запуску в 2027 году. Никаких изменений в архитектуре миссии не потребуется, чтобы учесть эту новую дату, и запуск в более поздний срок не повлияет на работу Dragonfly.

Винтокрылый аппарат будет летать в десятки многообещающих мест на Титане в поисках пребиотических химических процессов, общих как на Титане, так и на Земле. Dragonfly знаменует собой первый полет НАСА на мультироторном транспортном средстве для науки на другой планете; у него восемь роторов, и он летает как большой дрон. Он воспользуется преимуществами плотной атмосферы Титана — в четыре раза плотнее, чем Земля — чтобы стать первым транспортным средством, которое когда-либо доставило всю свою научную полезную нагрузку в новые места для повторяемого и целенаправленного доступа к поверхностным материалам.

Титан является аналогом очень ранней Земли и может дать ключ к разгадке того, как на нашей планете могла возникнуть жизнь. Во время своей 2,7-летней базовой миссии Dragonfly будет исследовать разнообразную окружающую среду от органических дюн до дна ударного кратера, где жидкая вода и сложные органические материалы, ключевые для жизни, когда-то существовали вместе, возможно, десятки тысяч лет. Его инструменты будут изучать, насколько далеко продвинулась химия пребиотиков. Они также будут исследовать свойства атмосферы и поверхности Луны, ее подповерхностный океан и жидкие резервуары. Кроме того, инструменты будут искать химические доказательства прошлой или существующей жизни.

Как Титан еще пригодится человечеству?

Для начала давайте проясним, что Титан — это луна, которая во многих отношениях больше похожа на планету. У него толстая атмосфера, которая примерно в 1,5 раза превышает давление на поверхности земной атмосферы. Ни у одного из 177 других спутников Солнечной системы нет такой атмосферы. Кроме того, Титан — единственное место в солнечной системе, кроме Земли, со стабильными жидкостями на поверхности: на поверхности Титана есть озера и моря. Итак, это — замечательный и очень похожий на Землю мир.

Плотная атмосфера Титана полезна, потому что это означает, что вам не нужно носить громоздкий скафандр, когда вы находитесь на Титане. Но главная причина, по которой мне это нравится, проста: атмосфера Титана поможет нам выжить. В космосе радиация смертельна. Энергетические частицы Солнца, и особенно галактические космические лучи (ГКЛ), проникают в ткани человека, вызывая рак и когнитивные расстройства. Чтобы оставаться в пределах нынешних пределов риска рака НАСА, астронавты могут путешествовать за пределы низкой околоземной орбиты (НОО) на целых 200 дней; поездка на Марс, вероятно, займет больше 600 дней. Но эти разрушающие частицы не могут добраться до поверхности Титана; они поглощаются атмосферой, а это означает, что это безопасная среда для человека. Атмосфера Марса недостаточно плотная, чтобы обеспечить надежную защиту от ГКЛ и Земли.

Люди, живущие на Титане, могут ходить (или, скорее, подпрыгивать — поскольку сила тяжести составляет 14% от силы тяжести Земли, что немного меньше, чем на Луне) в костюмах, чтобы согреться. На Титане холодно (температура поверхности около –290 градусов по Фаренгейту). И людям нужно будет носить респираторы, чтобы дышать кислородом, поскольку атмосфера в основном состоит из азота. Свет на Титане немного тусклый, как сразу после заката здесь, на Земле, из-за частиц дымки в плотной атмосфере. Люди, живущие в одном полушарии Титана, всегда обращенном к Сатурну, будут иметь прекрасный вид на окольцованную планету.

По-настоящему забавная (и потенциально полезная) вещь заключается в следующем: благодаря низкой гравитации и плотной атмосфере люди на Титане могут легко летать своим ходом, если привязать крылья к рукам! В будущем люди могут покататься на лодках по озерам и морям, которые в основном находятся в более высоких широтах.

Поскольку на Титане так холодно, вся вода заморожена — озера и моря состоят из жидкого метана и этана. Эти углеводороды (например, природный газ здесь, на Земле) в изобилии на Титане — не только в озерах и морях, но и на поверхности и в атмосфере. Они представляют собой готовый источник материалов для создания строительных материалов, таких как пластмассы. Люди могут сжигать метан для производства энергии, возможно, используя ядерный реактор для электролиза воды (поскольку атмосфера Титана не содержит кислорода, который нам понадобится для сжигания метана).

Недавно астрономы измерили глубину самого большого на Титане моря из метана. Оказалось, он составляет не менее 0,3 км: этого достаточно, чтобы изучить его на роботизированной подводной лодке. Оказалось, что глубина небольшого моря Синус, которое находится на Титане, составляет 85 м. А самое крупное море Кракена измерить пока не удалось. Оба водоема состоят из смеси этана и метана, второй компонент преобладал. Это огромное количество энергии.

Другой вариант химической энергии — гидрирование ацетилена (т.е. 3H 2 + C 2 H 2 ); и водород, и ацетилен присутствуют в атмосфере Титана.

Кроме того, мы можем рассмотреть возможность использования ветряных турбин в качестве альтернативного источника энергии. Плотность воздуха на Титане примерно в пять раз больше, чем на Земле, поэтому потенциальная энергия ветра значительна. Хотя на поверхности Титана не так много ветра (измерения «Кассини» показывают скорость ветра около 1 м/с; для сравнения, типичная скорость ветра на Земле составляет примерно 4 м/с), измерения зонда Гюйгенса показали скорость ветра около 20 м в секунду на высоте 40 км — это означает, что привязанные воздушные ветряные станции могут производить сотни мегаватт энергии.

В чем проблема?

Если Титан так хорош и интересен, то почему его до сих пор не освоили? Почему на Марс и Луну направлено большинство миссий? Проблема в расстоянии.

Время полета к Сатурну может варьироваться от 4 лет до почти 7 лет, в зависимости от орбитального отношения к Земле во время запуска. Без значительных достижений в энергетике это означало бы чрезвычайно долгое путешествие к любой потенциальной колонии и обратно.

Кроме того, предстоит преодолеть множество препятствий, не последним из которых является изучение того, как люди будут жить и работать в условиях микрогравитации. Кроме того, выращивание пищи на Титане с использованием сельскохозяйственных культур, как мы делаем это здесь, на Земле, не будет эффективным, учитывая более низкий поток солнечной энергии, достигающий поверхности Титана, и без того низкую эффективность фотосинтеза здесь, на Земле. Людям на Титане понадобятся биотехнологии и нетрадиционные продукты. Возможно, будущие люди на Титане смогут задействовать какой-нибудь искусственный фотосинтез. 

Остается лишь ждать прорыва в науке.


Читать далее

Аборты и наука: что будет с детьми, которых родят

Ученые предложили колонизировать спутник Цереры

Посмотрите на редчайшие молнии: синюю струю и эльфа, снятых с МКС


Загрузка...