Глава 3
Системы внутри систем

Самые большие планеты – это не воспламенившиеся звезды, вращающиеся сфероиды, состоящие в основном из водорода и гелия. Из-за огромного внутреннего жара, накопленного в результате аккреции, их атмосферы полны вихрей, размер которых может составлять десятки тысяч километров – больше, чем диаметр Земли. Основная часть материала таких гигантских планет сгустилась непосредственно из туманности газа и пыли, окружавшей центральную звезду, и, таким образом, по своему составу они в целом «подобны звездам». Если говорить о размере, то планета, имеющая пять (или даже десять) масс Юпитера, окажется совсем ненамного больше этого гиганта Солнечной системы, потому что все эти материалы легко подвергаются сжатию: чем больше массы вы добавляете к планете-гиганту, тем сильнее она спрессовывается. Для такого небесного тела существует максимальный теоретически возможный размер – чуть больше Юпитера. При дальнейшей аккреции газа планета не растет, а сжимается. Если газовый гигант накапливает более 17 масс Юпитера, температура и давление в его центре становятся такими огромными, что там начинается термоядерный синтез. Планета превращается в звезду.

При формировании планеты-гиганта время решает все. В так называемой модели аккреции ядра первый шаг – это скопление большого количества ледяных кометезималей, образующих ядро примерно в десять раз массивнее Земли. Если такое ядро быстро формируется в толще протопланетной туманности, то, как в случае наматывающейся на палочку сахарной ваты, его гравитации хватает, чтобы вокруг него собрались все остатки диска в зоне действия силы притяжения. У первых из подобных ледяных ядер есть все преимущества. В их распоряжении имеется больше газа, который они могут захватить, и чем массивнее они становятся, тем больше гравитация, с помощью которой они притягивают материю. В Солнечной системе таким счастливчиком оказался Юпитер.

Но, хотя на протяжении примерно 10 000 лет Юпитер рос с впечатляющей скоростью, его гравитационное воздействие имело определенные пределы. Дальше от звезды возник промежуток, пространство для еще одной гигантской планеты, схожим образом росшей вокруг другого ядра из скучившихся кометезималей: это был Сатурн. Еще дальше появились Уран и Нептун, которые в соответствии с этой теорией застряли на стадии ядер – именно поэтому мы называем их ледяными гигантами. (Это несколько неточный термин: они срослись изо льда, а внутри состоят в основном из воды и молекулярного водорода, но сейчас температура в их центрах составляет тысячи градусов.)

Если бы протопланетный диск был в 20 раз массивнее, Юпитер стал бы белым карликом, частью двойной системы звезд Солнце А и Солнце В. Хотя, к счастью, он оказался слишком мал для того, чтобы внутри него начался термоядерный синтез, при его аккреции скопилось очень много тепла – той самой энергии гравитационного притяжения, которую Кельвин учитывал в своих расчетах возраста Солнца. (Его вычисления были в принципе верными, но очень неточными, потому что он ничего не знал о термоядерных реакциях.)

Чтобы понять, откуда берется аккреционное тепло, рассмотрим гигантскую планету, формирующуюся из частиц вещества, стягиваемых издалека. Если, к примеру, туфля падает внутрь Юпитера с конечной скоростью 60 км/с, она высвобождает количество энергии, равное тому, которое получается при сжигании полного бака бензина. Повторите это несколько тысяч триллионов триллионов раз (масса Юпитера в туфлях), и в результате аккреции выделится достаточно тепла, чтобы поднять среднюю температуру планеты до десятков тысяч градусов. По геологическим меркам Юпитер вырос в одно мгновение, но его жар с тех пор постепенно пробивается наружу, преодолевая огромный радиус газовой сферы.

Сегодня Юпитер излучает вдвое больше тепловой энергии, чем получает от Солнца. Раньше он был еще жарче и испарил всю воду на своем самом близком спутнике Ио. В небе Ио Юпитер висит подобно гигантскому блюдцу, так что он действовал там как лампа для обогрева. Дальше, на расстоянии Европы, Юпитер давал достаточно тепла, чтобы там существовало пáрящее открытое море, по крайней мере на стороне, обращенной к планете. Но в конце концов Юпитер остыл и океан Европы покрылся ледяным панцирем. С тех пор он миллиарды лет подогревается энергией приливов и радиоактивного распада. Такой цикл формирования ледяных спутников, тепловой инкубации и длительного внутреннего подогрева может наблюдаться везде, где есть внешние планеты-гиганты.

Формирование Солнечной системы начинается с коллапсирования газа, пыли и льда, из которых возникнет звезда и ее протопланетный диск. Образование планет запускается, когда диск сгущается до твердых частиц, летящих сквозь газ, как рой пчел в тумане. Сколько из него получится планет – зависит от многих факторов: плотности диска и его состава, мощности излучения звезды и ее магнитного поля, а также того, что происходит по соседству, например влияния звезд-сестер или взрывов сверхновых. Но для общего случая существует стандартная модель. Там, где в протопланетном диске много частиц изо льда и пыли, планета может продолжать свой рост, как снежный ком, втягивая лед и пыль, и в конце концов собирая газ, как ненасытный Безликий в мультфильме «Унесенные призраками». Все идет в дело.

Но в районе земной орбиты, на отметке в 1 а.е. от звезды, гравитация Солнца велика, а его излучение сдувает газ прочь. Землеподобные планеты должны формироваться не напрямую, не так, как рисовал в своем воображении Иммануил Кант, но иерархично, начиная с планетезималей, которые собираются в эмбрионы, которые, в свою очередь, вырастают в систему тел размером от Луны до Марса, называемых олигархами. До этого момента происходящее представляет собой упорядоченный, саморегулирующийся процесс: олигархи по большей части не задевают друг друга, строго следуя по круговым орбитам и доминируя каждый в своем регионе.

Тем не менее в конце концов один олигарх вступает с другим в конфликт – маленькое гравитационное возмущение нарастает, приводя к сближению, затем к столкновению и часто к слиянию. Так начинается поздняя стадия гигантских столкновений, когда планеты разбиваются о планеты. Такие столкновения продолжались сотню миллионов лет, приведя к образованию Венеры и Земли – двух планет, сорвавших крупный куш, – а также побежденных, но выживших игроков (вроде Меркурия) и осколков (вроде Луны). Абстрактно рассуждать о гигантских столкновениях просто, но их энергии были поразительными, а физическую основу этого процесса мы до сих пор не очень хорошо понимаем.

Нам куда лучше знаком процесс ударного образования кратеров – когда планетезимали сталкиваются с планетами, а не планеты с планетами. Отчасти это потому, что мы можем сделать кратер в земле у себя во дворе или в глине – на принадлежащей другу фабрике по производству курительных трубок. Кроме того, благодаря ньютоновской физике и математике мы можем масштабировать образование кратера обычного для полученного в лабораторных условиях размера до куда более крупного события, проводя эксперимент в центрифуге с силой тяжести в сотню g. Маленькие кратеры, сформированные при более высокой гравитации, эквивалентны крупным кратерам с точностью до масштаба. Если вы правильно масштабируете все факторы – линейные размеры, время, центробежную силу, – эти два явления будут одинаковыми с точки зрения математики.

Чтобы понять, как работает масштабирование кратеров, представьте съемку сцены борьбы для фильма про Годзиллу. Вы хотите, чтобы актеры реалистично дрались и бросали друг друга на землю. Это означает, что, поскольку они намного больше, падать они должны медленнее и на взмах рукой или ногой им тоже требуется больше времени. Как выясняется, два дерущихся монстра высотой в 16,5 м математически подобны двум дерущимся актерам среднего роста (180 см), если вы равномерно замедлите время в три раза (квадратный корень из 16,5/1,8). Снимите эту сцену со скоростью 60 кадров в секунду, продемонстрируйте ее на скорости в 20 кадров, и все будет хорошо.

Моделирование кратеров происходит подобным же образом, но нужно учитывать куда больше деталей. Предположим, мы хотим понять, как происходит образование крупного ударного кратера на Луне. Мы берем результаты скоростной съемки лабораторных экспериментов при большой центробежной силе и замедляем их в тысячи или миллионы раз. Сделав это – взяв крупный план в пространстве и общий план во времени, – вы можете непосредственно наблюдать образование планетных кратеров.

Еще один подход – использовать гидрокоды, семейство компьютерных программ видеомоделирования, которые стали важнейшим инструментом изучения столкновений планетарных масштабов. Эти программы создаются на основе данных лабораторных экспериментов и позже проверяются в других таких же экспериментах. С гидрокодом моделирование – это просто вопрос замены единиц времени с микросекунд на минуты, а единиц расстояния с миллиметров на километры. Дальше физика сделает все сама, если только мы задействовали правильную физику. Некоторые физические характеристики масштабировать легко – например, силу тяжести, – тогда как с другими, особенно когда дело касается фрагментации, плавления и текучести горных пород, работать сложнее. Скажем, огромный каменный массив обычно непрочен, поскольку в нем имеется множество дефектов, тогда как маленький камешек разломать трудно. В итоге гидрокоды могут быть довольно сложными: иногда они содержат миллионы строк и все равно не могут охватить все физические процессы.

Аналогия с Годзиллой учит нас, что более крупные кратеры формируются медленнее, чем мелкие, и это логично. Масштабируя по времени, мы видим, что крупному астероиду, движущемуся с обычной для Солнечной системы скоростью около 10 км/с, потребуется несколько секунд, чтобы пронзить лунную кору. По эмпирическому правилу он проникает на глубину, вдвое превышающую его диаметр, а потом останавливается. Энергия летящего с большой скоростью тела переходит в ударные волны, вызывающие взрыв, от которого остается воронка; на самом деле удар астероида почти неотличим от взрыва подземного заряда той же мощности на той же глубине. Интенсивный процесс порожденного соударением взрыва масштабируется иначе, чем физические процессы, определяющие окончательный размер кратера, что приводит к любопытному результату: чем больше кратер, тем больше доля ударного (импактного) расплава в окончательной впадине. Вдобавок самые крупные кратеры пробивают кору до мантии, которая заполняет их пробкой из горячего вещества – этот процесс считается движущей силой гидротермальной активности, первоначально имевшей место на Марсе.

В случае с гигантскими структурами вроде Моря Дождей, целые горные цепи могли опрокинуться вверх дном и оказаться похороненными под массами нижней коры и верхнего слоя мантии. Все, что находилось около поверхности и близко к месту удара, улетает в космос, превращенное в порошок, пар или расплав. Первоначальная воронка, образованная расширяющейся ударной волной, недолговечна, так как прочность коры для этого не достаточна. Она проваливается, и внутрь прорывается мантия. Десятки часов вся Луна сотрясается с огромной силой. Обрушение в середине кратера начинается уже тогда, когда его внешняя часть еще продолжает разрастаться, так что он напоминает скорее волну, а не кратер, колеблясь, как круги на воде вокруг брошенного в пруд камня.

В случае кратеров с диаметром свыше нескольких сотен километров уже никак нельзя приближенно считать, что Луна плоская. Бассейн Южный полюс – Эйткен и Океан Бурь – гигантские структуры, каждая из которых покрывает четверть площади Луны. Кривизна лунной поверхности имеет тут значение, как и граница между корой и мантией, и тот факт, что направление «вниз» будет очень разным на разных сторонах кратера. Для таких крупных событий масштабирование кратеров становится весьма затруднительным, поэтому нам остается лишь полагаться на моделирование с помощью гидрокода, который учитывает геометрию шарообразной планеты посреди космоса.

Гигантские столкновения – еще более сложный случай. У такого события нет центра, и не существует лаборатории, где мы могли бы воспроизвести его в меньшем масштабе. Тем не менее мы можем сделать некоторые приблизительные расчеты. Гигантские столкновения планет, захваченных взаимной гравитацией, случаются примерно на скорости убегания двух соударяющихся тел. Это та скорость (она же – вторая космическая), с которой одно тело падало бы на другое в идеальной ситуации, когда они являются единственными объектами во Вселенной: 11,2 км/с для Земли и 2,4 км/с для Луны. Соответственно, при масштабировании такие столкновения можно считать «самыми медленными»: если летящее тело и его мишень сравнимы по размерам и взаимодействуют примерно со своей скоростью убегания, то только для того, чтобы завершился физический контакт, потребуется целый час. После этого столкновение развивается в течение многих дней, представляя собой гравитационное и механическое взаимодействие двух тел, у которых сливаются или пытаются слиться ядра. Такие явления мы можем изучать только с помощью трехмерного компьютерного моделирования, которое учитывает взаимное гравитационное взаимодействие всех компонентов системы, а также все остальные физические аспекты ударного кратерообразования. Картина начинает напоминать взаимовлияние галактик, и в самом деле, для этих двух типов моделирования используются одни и те же гидрокоды.

Один аспект физики столкновений достаточно прост. Если вы хотите срастить две планеты в одну, вам нужно объединить и их импульсы – это закон Ньютона. Когда вы стреляете в лежащий на столе деревянный брусок, он поглощает импульс пули и улетает со стола со скоростью, равной скорости пули, деленной на относительную массу бруска. То же самое происходит и с вращательным движением. Представьте, что астронавт парит в безвоздушном пространстве и хватает вращающуюся коробку с инструментами. В итоге он тоже начнет вращаться, но более медленно, пропорционально своему более значительному моменту инерции. Если коробка вращается слишком быстро или слишком тяжела, астронавт не сможет ее удержать.

Можно провести аналогию между этой неспособностью удержать коробку и двумя планетами, пытающимися вырасти в процессе гигантского столкновения. Из-за момента импульса двум планетам сходного размера трудно сцепиться воедино, и при компьютерном моделировании мы наблюдаем, что гигантские столкновения приводят к слиянию планет только примерно в половине случаев. Все прочие можно назвать «столкновениями с оставлением места происшествия», когда две планеты, ошеломленные и поврежденные, продолжают двигаться своими разными дорогами.

Комета Шумейкеров – Леви 9, которую разорвало приливными силами неподалеку от Юпитера в 1992 г. Фото получено космическим телескопом «Хаббл» в 1994 г., за несколько месяцев до того, как все фрагменты столкнулись с Юпитером на следующем обороте. В ранней Солнечной системе «столкновения с оставлением места происшествия» порождали похожие «бусы» тел планетного масштаба.

Иногда более маленькая убегающая планета выживает лишь в ограниченном смысле, распадаясь на множество субпланет, двигающихся после столкновения как бусины на нитке, – это механизм формирования целых семей планетных тел, имеющих общий химический состав. Они варились в одной «кастрюле с рагу», но некоторым досталось больше мяса, а другим – одна картошка. И вот они летят в неизведанную синюю даль, полдюжины новых планет, некоторые – богатые горными породами, другие – металлические, а третьи – океанические… И это не просто абстрактные рассуждения: мы сами наблюдали подобное событие в 1992 г., когда Юпитер разорвал на части комету.

Стандартная модель образования Луны в результате гигантского столкновения находится посередине между аккрецией и оставлением места происшествия. В ходе одного из последних крупных событий такого рода олигарх размером с Марс и массой в одну десятую массы Земли, сталкивается с нашей планетой под углом в 45° на скорости, близкой к скорости убегания. Это достаточно типичный случай, если судить по тому, что мы знаем о последнем этапе формирования Солнечной системы. Имея диаметр более чем в два раза меньше земного, Тейя не вошла в плотный контакт с Землей; хотя это и наиболее вероятный угол удара, вероятность аккреции на нем не максимальна. При соударении под углом более 60° (что соответствует четверти всех соударений) практически любое гигантское столкновение проходит с оставлением места происшествия. Чтобы погасить момент импульса, соударение должно быть более-менее лобовым. В момент столкновения Тейя двигалась относительно медленно, так что она потеряла достаточный момент, чтобы попасть в ловушку тяготения Земли и быть разорванной ударом и земным притяжением, действующим как огромная приливная сила. Ее разорванная масса зашла на второе столкновение примерно через десять часов. На этот раз она двигалась еще медленнее, что в результате закончилось аккрецией.

Два примера гигантских столкновений. В результате одного из них появится Луна, а в результате другого – нет. Участвующие в соударении тела показаны через час после начала контакта. Справа – поперечные сечения, где разные оттенки соответствуют разной плотности. В верхнем случае ядра проходят мимо друг друга («столкновение с оставлением места происшествия»), а в нижнем – вот-вот сольются в единое целое.

Согласно стандартной модели, ядра слились быстро – примерно за несколько часов. Для любой системы существует характерное время гравитационного взаимодействия (Gρ)^–1/2, где G – это ньютоновская гравитационная постоянная, а ρ – плотность вещества в граммах на кубический сантиметр (для воды она равна 1, для горных пород – 3). Ядра погружаются и сливаются, что придает центральной части тела огромную скорость вращения. Пограничная область между ядром и мантией вовлекается в это движение, и от планеты отрываются огромные капли богатого мантийными породами материала – в точности, как это представлял себе Дарвин; на самом деле этот процесс можно воспринимать как расщепление, запущенное в результате столкновения. Ядро Тейи было почти полностью поглощено Землей, поэтому Луна в конце концов сформировалась из протолунного диска, состоящего в основном из горных пород.

Если бы Тейя двигалась всего на 10 % быстрее, она бы продолжила существовать как отдельная планета, полностью опустошенная, но избежавшая плена земного тяготения и вновь вышедшая на орбиту вокруг Солнца. Однако столкновение замедлило бы ее, так что она оставалась бы где-то поблизости и с большой вероятностью столкнулась бы с Землей вновь. Такую ситуацию называют цепочкой столкновений. Каждое из них замедляет олигарха, так что каждое следующее с большей вероятностью ведет к слиянию – если не это, то следующее станет последним, как у пружинки-слинки, шагающей вниз по покрытым ковролином ступенькам.

Гигантские планеты знамениты своими поразительными атмосферами и внутренними областями, испещренными полосами облаков и клубящимися ураганами. Но, каким бы завораживающим ни был этот вид и до какой бы степени они ни главенствовали в определении динамики движения планет, у планет-гигантов нет поверхности в том смысле, в каком ею обладают землеподобные планеты и крупные ледяные тела, такие как Плутон и Европа. Поверхность – это двумерный рубеж между жидкостью и газом (если речь идет об океане), или между воздухом и сушей, или между водой и льдом. Поверхность – это граница между двумя состояниями вещества, которая обеспечивает физический контраст и существование различных экологических ниш. Нас окружает безумный мир, полный жутких неожиданностей, а поверхности дарят нам места, которые можно назвать домом, места, где мы находим убежище, тепло и покой.

На Земле попадаются организмы, которые не живут на поверхности или возле нее: это свободно плавающий морской планктон и никогда не спящие акулы. Тем не менее и они в конечном счете зависят от того, что происходит на поверхности океана: от газообмена О₂ и СО₂ с атмосферой, от последствий воздействия солнечной энергии, от продуктов жизнедеятельности организмов, живущих в верхнем, пропитанном солнечным светом и кислородом слое воды. Существа, никогда не видящие солнечного света, питаются существами, живущими у поверхности (на Земле еженощно наблюдается миграция снизу вверх для поедания этого приповерхностного фитопланктона). Еще глубже, там, куда организмы падают, когда начинают разлагаться, есть донная поверхность, где очень странные существа живут и размножаются среди геотермальных источников и черных курильщиков. Самое большое количество и разнообразие живых существ на Земле можно обнаружить среди плавных градиентов и резких контрастов приливно-отливной зоны, соединяющей сушу, атмосферу и океан благодаря периодически меняющемуся гравитационному воздействию Луны и Солнца. Неровности, поры и зоны проницаемости – лучшие места для химических реакций, которые поддерживают термодинамику жизни и обеспечивают обмен водой и растворенными в ней веществами сквозь мембраны, альвеолы, капилляры и жабры.

Один из неписаных законов изучения планет – всегда следовать за водой. Мы также должны следовать и за нишами. Тут вода опять-таки играет уникальную роль, так как может создавать собственные закоулки благодаря возможности сосуществования различных агрегатных состояний в районе тройной точки, где газ и жидкость становятся твердой фазой (замерзание), твердая фаза превращается в жидкость (таяние или растворение), а твердая фаза и жидкость становятся газом (возгонка или испарение). Кроме того, самые разные молекулы растворяются в воде, где они могут распадаться, собираться заново и выпадать в осадок как новые твердые вещества, а также менять ее физические характеристики (иначе говоря, плотность) и химические свойства. Большая часть запасов пресной воды на Земле находится в подземных водоносных пластах в верхнем слое коры. На самых высоких широтах, как на севере, так и на юге, пресная вода хранится в ледяных шапках толщиной в несколько километров, и этот слой льда регулирует климат на планете, отражая часть исходящей от Солнца энергии в космос – как солнцезащитные козырьки в вашем автомобиле. Под самыми толстыми ледовыми щитами давление так велико, что геотермальное тепло вызывает там таяние, так что под ними также имеется жидкая вода.

Ледовый покров простирается и на океан, где возникают постоянные и сезонные шельфовые льды – все благодаря тому примечательному факту, что твердая вода плавает в жидкой воде. Пару раз за геологическую историю Земли в периоды «Земли – снежного кома» или «Земли-снежка» шельфовые льды доходили до экватора. В те времена вы бы не узнали нашу планету из космоса. Почти вся она была покрыта ледяным шельфом и напоминала скрытый под криосферой спутник Юпитера Европу. Ледяные шельфы Земли представляют собой лабиринт расщелин и хребтов, террас и пещер. Это рай для амфипод, водорослей и полярной трески. Нижняя сторона ледяного покрова во многом похожа на морское дно, только перевернутое вверх ногами: там возникает богатая экологическими нишами среда, которая может быть обычной для ледяных миров по всей Галактике.

Гидрологический цикл Земли – поразительный вечный двигатель, жемчужина Солнечной системы, невероятное благо для жизни. Обратите внимание на всего один его аспект – сток дождевых вод с континентов. Текущая вода несет в океан растворенные в ней минеральные вещества; ионы этих минералов реагируют с атмосферным углекислым газом, растворенным в нескольких верхних метрах водной толщи. Как будет описано ниже, растворенный в воде кальций образует карбонаты, которые выводят СО₂ из атмосферы. Если на планете становится слишком жарко (слишком много атмосферного углекислого газа), это повышает количество осадков, что приводит к увеличению стока. В океане появляется больше кальция, что означает дополнительный вывод СО₂ и охлаждение климата.

Кто-то подарил нам великолепную саморегулирующуюся машину. Но мы, как парень с перочинным ножом, пытающийся разобрать швейцарские часы, портим в ней важнейшие обратные связи: потеря отражающего ледяного покрова приведет к уменьшению защиты от Солнца и повышению уровня метана – парникового газа, который может высвобождаться в результате таяния вечной мерзлоты. Планеты дышат размеренно, но иногда чихают.

Лед тает под давлением по той же причине, по какой он плавает в воде: в твердом состоянии вода занимает больший объем (имеет меньшую плотность), чем в жидком. Таким образом, сжимая лед в меньший объем с помощью давления, вы переводите его из твердого состояния в жидкое без изменения температуры. Именно поэтому тонкие лезвия коньков скользят без трения: весь вес конькобежца сконцентрирован на узком поперечном сечении, контактирующем со льдом, то есть все давление приходится на эту полоску, так что твердый лед на мгновение превращается тут в жидкость, снова затвердевая за лезвием конька.

На высоких широтах Марса преобладают скованные льдом грунты, а на полюсах лежат ледяные шапки. Там, в полутора километрах ниже уровня поверхности, радары зафиксировали эхо мелкого водоносного пласта, который некоторые называют «озером». Его присутствие неудивительно, если учесть, что жидкая вода может существовать на глубине, даже если поверхность скована льдом. Чем глубже вы продвигаетесь, тем выше температура и давление; когда-нибудь вы достигнете зоны, где рассол может скапливаться, не замерзая. Хотя он, вероятно, токсичен для любых живых существ, которых мы знаем и любим, именно там могла развиваться особая марсианская жизнь, когда поверхность планеты стала холодной, суровой и негостеприимной. Есть ли там, внизу, микроорганизмы, адаптировавшиеся к рассолу? Сейчас делается первый шаг в исследовании подземного пространства Марса; когда я пишу эти строки, созданный NASA посадочный модуль «Инсайт» пытается пробурить там пятиметровую скважину, но работа идет непросто. Чтобы пройти в тысячу раз глубже, на Марсе потребуется инфраструктура, о которой мы пока не можем и мечтать.

Далее существует переход из твердого состояния в пар – сублимация, или возгонка. Кубики льда в глубине морозильника исчезают, оставляя после себе мутные кусочки, которые никому не посоветуешь класть в свой бокал. Что же происходит с водой из таких кубиков льда, мумифицированных рыбных палочек или забытой замороженной стручковой фасоли? Она оседает изящным слоем измороси на стенках морозильной камеры и собирается в более крупные, грубые частицы. Такие эксперименты, регулярно проводимые в холодильниках студенческих общежитий, – на самом деле совсем неплохая аналогия для процессов, происходящих на поверхности богатых льдом грунтов Марса, а также на кометах и ледяных спутниках, хотя для того, чтобы сделать все правильно, вам нужно создать в морозильной камере почти полный вакуум, перевести ее в куда более холодный режим и облучать все ультрафиолетом. На свете есть с десяток планетологических лабораторий, где ученые занимаются именно этим.

Каждое агрегатное состояние воды имеет характерную систему расположения молекул H-O-H: они могут быть заперты в кристаллических решетках (льды различной структуры) или свободно двигаться (жидкое или газообразное состояние); бывает, что и в твердом состоянии молекулы не упорядочены (аморфное твердое тело). Агрегатных состояний воды на самом деле множество – их открыто уже более десятка (и да, лед-девять существует, хотя он далеко не так интересен, как о нем рассказывает Курт Воннегут). Добрая половина этих состояний имеет определенное значение в геологии.

Поскольку вода на планетах никогда не бывает чистой, эти состояния являются лишь идеальными. Добавьте побольше соли, и вы получите рассол с высокой плотностью и более низкой температурой замерзания. Именно поэтому зимой тротуары посыпают солью: она понижает температуру замерзания, так что воде труднее превратиться в лед. Планета, состоящая из соленой воды, может иметь очень своеобразную геологию. Одно из таких небесных тел – Тефия, другое – Япет с его хребтом, придающим ему форму грецкого ореха. Некоторые считают, что эти горы возникли, когда спутник треснул от внутренних напряжений, возникших при замерзании воды. (Другие полагают, что это результат конвекции льда и рассола. Есть и мнение, что так получилось из-за спутника второго порядка, который когда-то обращался вокруг Япета, но потом упал на него. Да, Япет действительно странный.)

При большем давлении, характерном для еще больших глубин, особенно если еще подбавить жара, структура силикатных минералов может меняться так, что в нее встраиваются молекулы воды. Получатся гидросиликаты, такие как тальк и серпентин, где вода включена в молекулярную структуру, или же глины. На самых крупных из спутников (Ганимеде и Титане) гидросиликаты могут преобладать в мантиях, которые перемешивались термальной конвекцией или гигантскими столкновениями во время аккреции. Жидкая вода в тесном контакте с теплыми горными породами и достаточное количество геотермальной энергии, чтобы запустить глобальную конвекцию, – достаточно ли этого для зарождения жизни? Солнечный свет тут бы не помешал, но раз на Земле существуют организмы, обитающие глубоко под землей, он не является обязательным.

Наличие жидкой воды в месте соприкосновения поверхности и атмосферы (то есть открытый океан) действует как ограничительный механизм для температуры на планете. Именно это позволяет удерживать физические условия на Земле в районе тройной точки. Пока существуют океаны, температура на планете не поднимется выше точки кипения, потому что любая избыточная энергия уйдет на превращение воды в пар. (Когда вода испарится полностью, все поменяется: посмотрите на Венеру.) Подобным же образом, до тех пор, пока открытый океан не замерз, в масштабе всей планеты температура не опустится ниже точки замерзания. Кроме того, колебания температуры ограничивает атмосферная влажность, подобно тому, как наша кожа испаряет влагу в сухой воздух, чтобы охладить тело.

Если поверхность раздела жидкости и пара исчезает (то есть океана больше нет), всем ограничениям приходит конец: температура может подниматься и опускаться до любых значений. Когда холодным сырым вечером столбик термометра начинает опускаться, в определенный момент похолодание прекращается (хотя из-за сырости кажется, что очень холодно). Пар из воздуха начинает конденсироваться на мокрых ветках, оседать в виде росы на траву и на одежду. Может даже начать моросить мелкий дождь. Все эти капли и аэрозоли имеют свои поверхности. Температура перестает снижаться, когда формирование таких поверхностей приводит к равновесному значению величины, называемой энтропией (я не буду даже пытаться объяснять это понятие, потому что сам его не понимаю). В сухой пустыне, где относительная влажность составляет примерно 20 %, в теплый солнечный день температура может резко упасть ниже точки замерзания, потому что там нет воды, чтобы конденсироваться. Кроме того, поскольку там меньше молекул H₂O, поглощающих инфракрасное излучение, тепло уходит быстрее, и по ночам очень холодно. Такого не может случиться в тропических джунглях или на богатой углекислым газом болотистой планете.

Приведу еще один знакомый всем пример: поставленная в морозильник банка с водой быстро охлаждается до 0 ℃ и потом остается при этой температуре, пока вся вода не замерзнет. Только полностью затвердев, лед продолжит охлаждаться дальше. В процессе превращения в твердое тело содержимое банки расширяется на 9 %, поэтому, если банка наполнена доверху и закрыта, она лопнет. Расширение льда не только губит банки и заставляет лед плавать по поверхности океанов и озер; также оно является одной из важнейших эрозионных сил на Земле. Вода находит себе путь вглубь горных пород, а затем замерзает, и, расширяясь, крошит их. Именно так в Италии добывают мрамор: зимой заливают воду в щели, которые предварительно высекли в камне. Вода твердеет и расширяется, прикладывая огромную и достаточно ровно распределенную силу. Циклическое замерзание и таяние воды, а также тот факт, что ее молекулы притягиваются друг к другу (поскольку они полярны – то есть несут асимметрично расположенные заряды), являются причиной самых разных геологических процессов: от появления из земли валунов в любом месте, где происходит цикл глубокого промерзания-оттаивания грунта, до прорастания в арктических регионах бугров пучения, когда массивы льда до сотен метров в диаметре выдавливаются из земли, как прыщи, из-за накапливания воды вокруг постоянно замерзшего ядра.

Землю иногда называют планетой Златовласки: не слишком горячая, не слишком холодная. Она обращается вокруг стабильной звезды в зоне обитаемости и имеет атмосферу с давлением в один бар, состоящую в основном из азота (78 %), кислорода (21 %), почти 1 % аргона, 0,041 % углекислого газа, а также меняющейся доли водяного пара, которая зависит от температуры, давления и местоположения. На уровне моря она обычно составляет 1 %. Без этого атмосферного одеяла средняя температура у поверхности претерпевала бы резкие колебания вокруг среднего значения в –18 ℃. Океаны бы замерзли.

С начала индустриальной эпохи следовое содержание углекислого газа выросло более чем на 40 %, так как наши двигатели сжигают при работе ископаемое углеродное топливо (нефть, газ и уголь). СО₂, основной продукт процесса внутреннего сгорания – газ невидимый (в том смысле, что волны видимого света с ним не взаимодействуют) и в целом весьма инертный. Он не вредит нам, пока не начинает вытеснять кислород, которым мы дышим. Растения в ходе фотосинтеза поглощают углекислый газ и воду, производя атмосферный кислород (О₂), а также органические компоненты биома и источники энергии (углеводы), необходимые для растительной и животной жизни, основанной на соединениях углерода.

СО₂ – это парниковый газ, и в нашей атмосфере его сейчас слишком много. Видимые (желтые) лучи Солнца проходят сквозь него, чтобы согреть поверхность Земли и океана. Но идущему в обратном направлении инфракрасному излучению согретой поверхности пробиться через него уже сложно. Именно по этой причине небо непрозрачно для астрономических наблюдений в инфракрасной части спектра. На самом деле самый мощный парниковый газ – это вода, но ее вклад в потепление вторичен. Когда температура низка, воздух становится суше и таким образом вода не оказывает заметного эффекта. Когда тепло, атмосфера содержит больше водяного пара, что усиливает парниковый эффект.

На Венере, которая сформировалась ближе к Солнцу и имеет атмосферу, почти целиком состоящую из углекислого газа, парниковый эффект превратился в неудержимо нарастающую катастрофу. Чем теплее становилась Венера, тем больше воды испарялось с ее поверхности, что разогревало планету еще больше и заставляло воду покидать атмосферу под действием сильного солнечного ветра. (Солнечная радиация воздействует на Венеру сильнее, чем на Землю, потому что та находится ближе и имеет очень слабое магнитное поле.) Спустя миллиарды лет почти вся имевшаяся там изначально вода исчезла, хотя значительное ее количество могло сохраниться в мантии, ожидая возможности вырваться наружу. Возможно, в этом не было ничего неизбежного. Если бы там только имелся геологический процесс, отводивший углекислый газ, на Венере не стало бы так жарко и до сих пор сохранились бы жидкие океаны. Ирония состоит в том, что если бы океаны имелись на венерианской поверхности, то был бы и геологический процесс, позволяющий избавляться от всего этого CO₂.

Около поверхности земного океана вода аэрируется благодаря завихрениям волн и образованию пены. Рыбы дышат растворенным кислородом через жабры. Атмосферный углекислый газ тоже растворяется, и часть его реагирует с водой, давая в итоге углекислоту: H₂O + CO₂ = H₂CO₃ (если упростить длинный ряд реакций). В то же время ионы кальция в результате эрозии континентальных пород попадают в реки, которые несут их в море. Реакция этих ионов с углекислотой высвобождает ионы водорода и приводит к образованию карбоната кальция СаСО₃. Одно из главных вместилищ СО₂ является биологическим по своей природе – это экзоскелеты кораллов из минерала под названием арагонит, а также компоненты растений, водорослей и планктона повсюду на залитых солнцем суше и поверхности океана.

Но самый большой резервуар для атмосферного углекислого газа – это его выпадение в осадок, когда вода становится перенасыщенной кальцием и углекислым газом (подобно накипи в вашем чайнике). Кристаллы CaCO₃ скапливаются на морском дне, и когда слой этих отложений становится достаточно толстым, он превращается под давлением в такие горные породы, как доломит и известняк. Эоны спустя они могут быть вытолкнуты наверх благодаря выгибанию и разламыванию плит, и тогда образуются фантастические геологические структуры вроде белых скал Дувра или каменного леса в Гуанси.

Это отведение СО₂ в ходе образования карбонатов в мировом океане может функционировать как насос, только если постоянно поддерживать его работу. Здесь на сцену выходит тектоника плит: за периоды порядка сотен миллионов лет морское дно погружается в мантию, как конвейерная лента, унося с собой богатые углеродом осадочные породы. На первом этапе этот процесс вызывал падение содержания СО₂ в атмосфере.

Когда тектоническое движение плит приобретает устойчивый характер, часть погребенного в мантии СО₂ начинает возвращаться в атмосферу через вулканические кратеры. Таким образом на сегодняшний день сложилось равновесие, когда большая часть СО₂ заключена в коре и мантии. Если вы пересчитаете на углекислый газ белые скалы Дувра, экстраполируете результат на всю территорию земного шара, а также учтете все то, что, как считают ученые, растворено в мантии, у вас получится атмосфера СО₂ с давлением порядка десяти бар, под которой Земля изнемогала бы от жары.

Представим, что мы можем осадить весь углекислый газ из атмосферы Венеры с помощью аналогичного процесса выветривания континентальных пород в глобальные океаны и образования карбонатов. Итогом окажется внешняя карбонатная кора толщиной 800 м – светлая по оттенку поверхность, которая эффективно отражает в космос солнечные лучи. В итоге Венера может стать планетой, почти пригодной для жизни, с потрясающими, хотя и пугающе суровыми пейзажами. Вам понадобятся хорошие темные очки.

В настоящем и ближайшем будущем, здесь, на Земле, такое «терраформирование», как это ни грустно, уже не относится к области научной фантастики. Мы как вид приняли решение нарушить равновесие биогеосферной системы фиксации углерода. Последний раз, когда я проверял, бензин стоил меньше 80 центов за литр – такая дешевизна свидетельствует о безрассудном использовании ископаемого углерода, несмотря на общеизвестные теперь факты.

Для жизни в том виде, в каком она нам знакома, растворителем служит вода, но разнообразие живых организмов невероятно. Подробности туманны, но мы знаем, что жизнь на Земле началась с экстремофилов, которые прекрасно себя чувствовали в условиях позднего катархея. Среди них были галофилы, термофилы и барофилы – организмы, жившие в рассоле, возле гейзеров и на огромной глубине. Они не исчезли и сейчас – просто заняли свои особые ниши (вспомните наши рассуждения о глубинных, наполненных рассолом карманах на Марсе). Но любому из этих организмов – неважно, к каким экстремальным условиям они приспособлены, – на определенных этапах существования требуется вода. А как может обстоять дело в других местах?

Мозаика из 17 фотографий, сделанных во время пролета Ганимеда космическим зондом NASA «Вояджер-1» в 1979 г. На ней видны заполненные рифты, угловатые массивы, свежие отметины и несколько крупных кратеров, но никаких бассейнов, которые напоминали бы лунные. Под этой испещренной узорами поверхностью, под 100-километровым слоем льда находится жидкий соленый океан, переходящий в подстилающее основание изо льда VI, ниже которого лежат гидросиликаты, а еще ниже – каменистая мантия и плотное металлическое ядро.

Одно из самых очевидных мест, о которых нам следует подумать в этой связи, – это Ганимед, спутник Юпитера диаметром 5000 км, самое массивное покрытое льдом тело в Солнечной системе. Это самый большой из известных нам спутников, пока мы не обнаружим еще более крупные спутники, обращающиеся вокруг планет у других звезд. Глубоко внутри Ганимеда расположен океан, о котором мы знаем по замерам магнитного поля во время экспедиции космического зонда NASA «Галилео» (о ней мы поговорим ниже) и из того простого факта, что лед тает от тепла и давления. Глубина и протяженность океана на Ганимеде неизвестна. О его химических и минералогических характеристиках можно только строить предположения, а геологические процессы, происходящие под слоем льда, являются предметом одних лишь безосновательных догадок. Мы знаем, что океан покрыт сплошным ледяным панцирем толщиной от 50 до 100 км и что никакого взаимодействия между океаном и поверхностью не было с момента последнего крупного столкновения, которое произошло миллиарды лет назад. Доставить робота в толщу странных морей Ганимеда – куда более трудная задача, чем отправить автоматический зонд к ближайшей звезде, но, пока этого не случилось, ничто не мешает нам смотреть, думать и изучать.

Океан Ганимеда подогревается несколькими разными способами. Во-первых, это гравитационная энергия слияния, оставшаяся с момента образования спутника; ее было достаточно, чтобы полностью растопить это тело во время аккреции. Эта аккреция происходила относительно быстро, но для выхода наружу внутреннему теплу могут потребоваться сотни миллионов лет. Далее, тепло образуется в результате распада урана и других радиоактивных элементов, содержащихся в горных породах Ганимеда. Распад некоторых атомов происходит быстро, но среди них есть и долгоживущие изотопы калия, тория и урана, которые производят энергию миллиарды лет и вносят основной вклад во внутренний разогрев Ганимеда. Кроме того, существует приливный разогрев, который также играет значительную роль. Для некоторых планетных систем он очень устойчив и, вероятно, способен производить тепло хоть триллион лет.

Чтобы понять, как происходит приливный разогрев, давайте вначале рассмотрим Луну, которая находится в состоянии приливного захвата с Землей и всегда обращена к ней видимой стороной. Если бы орбита нашего спутника была идеально круглой, с любой точки видимой стороны Земля казалась бы неподвижно висящей в небе, тогда как Солнце и звезды всходили бы и заходили каждый месяц, который аналогичен лунным суткам. Но орбита Луны не является идеальной окружностью; это эллипс с эксцентриситетом в 5 %. Согласно закону Кеплера, Луна движется немного быстрее, когда находится ближе к Земле, в перигее, и медленнее, когда она дальше от Земли, в апогее. Поскольку вращение Луны вокруг своей оси остается постоянным, в перигее она обращается вокруг Земли быстрее, чем вокруг оси, а в апогее, наоборот, медленнее. Поэтому, если вы отдыхаете на лунной даче около Моря Восточного, на 90° западной долготы, Земля всегда будет находиться на восточном горизонте, каждый месяц немного приподымаясь и потом опускаясь, – очень красивый вид. Двигаясь таким образом, Земля вызывает внутри Луны периодические приливы, которые становятся причиной приливного трения, что приводит к выработке тепла, примерно так же, как если вы будете постоянно сгибать и разгибать скрепку.

Сейчас Луна представляет собой твердое и эластичное тело, Земля находится далеко, а вызванные эксцентриситетом колебания невелики, поэтому приливное трение создает лишь едва достаточно тепла для того, чтобы поддерживать температуру вероятно существующей полужидкой области, окружающей маленькое железное ядро. Но раньше, когда Луна была гораздо ближе к Земле, приливный разогрев был огромен. Если смотреть на Юпитер с поверхности Ганимеда, он также описывает в небе небольшие круги, но гораздо чаще (каждые семь дней); кроме того, Юпитер создает более мощную приливную силу, что приводит к выделению значительно большего количества тепла. Кашеобразная океаническая мантия спутника сдвигается взад-вперед, и, хотя сейчас тепла было бы недостаточно, чтобы растопить Ганимед, если бы он замерз полностью, его хватает, чтобы не дать затвердеть океану рассола.

Ничто не дается даром, и приливное трение забирает энергию у орбитального движения спутника, снижая со временем эксцентриситет его орбиты, но в случае с Луной это происходит так медленно, что мы можем заключить, что она – плотное упругое тело. В отсутствие других факторов приливный разогрев Ганимеда в конце концов прекратился бы, Юпитер светил бы в его небе неподвижно, а приливный бугор стал бы постоянным. Но Ганимед – не единственный спутник Юпитера; он вовлечен в орбитальный резонанс с двумя другими галилеевыми спутниками – Ио и Европой. Как мы увидим далее, это означает, что орбита Ганимеда имеет вынужденный эксцентриситет, обусловленный взаимными гравитационными взаимодействиями с другими спутниками. Такое положение может поддерживаться многие миллиарды лет, так что приливный разогрев не ослабевает.

Из доступных нам данных об экзопланетах мы знаем о существовании во Вселенной суперземель с открытыми океанами глубиной в десятки километров, площадь которых в пять-десять раз превышает площадь Земли. Можно только вообразить себе их течения, штормы и цунами, возникающие в результате суперземлетрясений. Могут ли горы и вулканы подняться со дна такого водного мира, чтобы стать островами и континентами? Думаю, нет. Горы могут подниматься только до тех пор, пока они не осядут под собственным весом, и это правило действует как на суше, так и в воде, особенно на массивной планете с большой силой тяжести. Более серьезную сложность представляет то, что при высоком давлении вода переходит в твердое состояние под названием лед VI. Океаны Земли недостаточно глубоки, чтобы в них образовывался лед VI, но океаны Ганимеда простираются на глубину в сотни километров и вполне могут затвердеть. Суперземля с океанами глубиной более 30–40 км будет (если экстраполировать лабораторные данные) иметь морское дно, состоящее изо льда VI, пробитого вулканическими извержениями.

Вода не полностью прозрачна для света, поэтому первичная биосфера солнечного водного мира, если она вообще возникает, будет сосредоточена в верхних 10 м, изобилующих планктоном или колонизированных гигантскими микробными матами. На дне такого океана, над корой изо льда VI, жизнь может теплиться в полной темноте вокруг обширных вулканических регионов, питаясь тем, что поступает из гидротермальных источников (черных курильщиков), или разлагающимися организмами, опускающимися на дно с поверхности и формирующими при высоком давлении некий специфический илистый слой. Все это, конечно, лишь предположения, но мы живем в мире, полном вопросов «кто знает?». Уже обнаруженные нами водные миры находятся достаточно близко к своим звездам, скорее всего, окутаны паром и, таким образом, менее интересны с точки зрения наличия жизни. Но более далекие от звезд планеты обнаружить труднее, так что «водные миры Златовласки» вероятно существуют и, возможно, уже открыты. Наконец, находящиеся еще дальше водные миры представляют собой миры ледяные, однако, если они имеют размер суперземель, их криосфера будет геологически активной благодаря значительному количеству внутреннего тепла, которому нужно вырваться наружу: на охлаждение настолько массивной планеты потребуются миллиарды лет. Попробуйте только вообразить себе геологию такого небесного тела!

Вода на землеподобных планетах содержит минералы, растворенные в ней при взаимодействии с силикатной корой и мантией. Добавьте к воде магний, серу, натрий, хлор и аммиак – все это компоненты солей, – и получится рассол плотнее чистой воды, который остается жидким при температурах, когда чистая вода замерзает. Когда океан такого рассола начинает покрываться льдом, первые кристаллы состоят из пресной воды. Именно они всплывают на поверхность, образуя ледяной шельф. Такое положение дел – устойчивый к замерзанию рассол, покрытый термоизолирующим ледяным панцирем, – рецепт долговременного выживания водяных океанов по всей Галактике.

По мере того как ледяной панцирь утолщается, оставшаяся вода становится все солонее, превращаясь в странную смесь, которая не замерзает при температуре –30 ℃ и даже –60 ℃, но становится вязкой, как лава. Именно удивительные и неожиданные свойства льдов и рассолов делают Плутон настолько криофантастическим миром. Одно из самых необычайных геологических явлений в Солнечной системе – это криовулканизм, который запускается, когда в соленом водоносном слое или океане замерзает последняя жидкость. Расширение затвердевающего льда заставляет остатки рассола вырываться наружу под давлением, словно зубная паста через дырочку в тюбике. Это выглядит как извержение, поток или выдавливание вязкой пробки и может вызывать глобальное расширение и региональное растрескивание ледяной коры, признаки чего мы наблюдаем в верхних 100 км объема Ганимеда.

Следующей экспедицией к ледяным спутникам Юпитера станет полет запущенного NASA межпланетного зонда «Европа Клиппер», старт которого запланирован на 2020-е гг. Аппарат совершит многократные облеты Европы, а его радар сконструирован так, чтобы засечь океан под ледяным панцирем. В рамках экспедиции Европейского космического агентства (ESA) JUICE на 2030 г. запланированы облеты галилеевых спутников, а закончиться она должна восьмимесячным орбитальным полетом вокруг Ганимеда. Радар аппарата будет способен заглянуть на десятки километров вглубь и, возможно, обнаружит подземные озера, которые могут оказаться схожими по масштабу с цепочками гигантских озер вокруг станции «Восток» в Антарктиде. Но для того, чтобы действительно понять внутреннее строение ледяных спутников, потребуется нечто большее, чем дистанционные наблюдения. Для этого нужен целый ряд распределенных по поверхности спускаемых аппаратов, каждый из которых собирает сейсмические данные, которые можно свести воедино в трехмерную картину. Это дело далекого будущего. Поверхность Ганимеда опасно радиоактивна, а ее кристаллические поля полны трещин, ям и ледяных игл – всего того, из-за чего ответственные за посадку инженеры просыпаются в холодном поту. Сейчас мы можем исследовать подповерхностные океаны только мысленно. Любые наши представления о них основаны на лабораторных экспериментах и опыте изучения разнообразных экстремальных глубоководных и водоносных сред на Земле: озера Восток, Марианской впадины и затопленных пещер мексиканского штата Кинтана-Роо.

Планеты с поверхностями принадлежат к особой категории. На них мы можем совершить посадку, остановившись на прочном слое льда или камня или же на водах океана. Титан – это одна из самых благодатных для приземления планет, так как у него есть массивная атмосфера, куда можно погрузиться, как это делают астронавты, возвращаясь в земную атмосферу, но только гораздо медленнее. Когда-нибудь Титан станет отличным местом для полетов благодаря своей плотной, стабильной атмосфере и низкой силе тяжести.

Что произойдет с вами во время свободного падения на газовый гигант, скажем на Юпитер или Сатурн? Во-первых, каждую секунду вы будете ускоряться на десятки метров в секунду, а каждую минуту – на километры в секунду. Тихий, но зрелищный полет будет продолжаться, пока вы в конце концов не врежетесь в неплотные верхние слои атмосферы на скорости 60 км/с (в случае Юпитера). Это создаст динамическое давление и турбулентность, порождающую такую вибрацию, какую не может выдержать ни одно позвоночное; будем надеяться, вы не забыли про виброизоляцию. Двигаясь в пять раз быстрее, чем возвращающийся на Землю астронавт, ваша капсула наберет в пять в квадрате, то есть в 25 раз больше кинетической энергии, которая должна будет рассеяться в виде тепла, что потребует наличия абляционной теплозащиты в 25 раз тяжелее, чем на «Аполлоне». Предположим, вы выживете и начнете торжественный спуск на парашюте сквозь ясные юпитерианские небеса; под вами раскинется поразительный пейзаж из разноцветных облаков. Тем не менее насладиться этим зрелищем вам будет непросто, поскольку при юпитерианской силе тяжести вы будете весить примерно четверть тонны.

При подходе к облакам атмосферное давление будет возрастать, и ваша капсула начнет скрипеть и трещать, пока ее корпус приспосабливается к этому медленному спуску в глубины планеты после космического вакуума и гиперзвукового входа в атмосферу. Вскоре давление достигнет значения в один бар, как на поверхности Земли. Глубже, при двух барах, атмосфера Юпитера имеет комнатную температуру и, хотя такое давление аквалангист испытывает на глубине 10 м, эти физические условия вполне переносимы. Но люк открывать не стоит: воздух, который устремится внутрь корабля, будет плотной и токсичной смесью водорода, двуокиси серы, аммиака и метана. А если учесть ветра и шквалы, достигающие скорости в сотни узлов, вам точно захочется держать капсулу плотно задраенной.

Если эти мощные ветры порвут ваш парашют, вы упадете вниз, как камень. Вначале вы почувствуете кратковременное облегчение – груз гравитации спадет, как только начнется свободное падение. Но заключительная часть этой истории будет короткой: вы пробьете облачный покров, а потом снова замедлитесь, войдя в более плотные слои атмосферы, и в конце концов будете раздавлены в лепешку. Все наши данные о глубинных слоях атмосферы Юпитера получены от спускаемого зонда, отделившегося от аппарата «Галилео» в 1995 г. и вошедшего в атмосферу планеты-гиганта. Последнее сообщение от зонда было получено с глубины 160 км при давлении в 22 бара и температуре 152 ℃. О дальнейшем можно только строить догадки: вскоре после этого парашют зонда расплавился, и в течение часа он опустился в области с давлением выше сверхкритического давления жидкого водорода, где и растворился его титановый корпус.

Кроме поверхности Земли, лучше всего нам знаком планетный ландшафт, который чудаковатый американский астроном Персиваль Лоуэлл провозгласил полным каналов, сооруженных близящейся к упадку расой гигантов, чтобы орошать свои оазисы в марсианской пустыне: «Их мышцы, если учесть их длину, ширину и толщину, в 27 раз эффективнее наших, то есть они в 27 раз сильнее нас» при одной трети земной гравитации. Оставим в стороне физику – слишком неплотную атмосферу и слишком низкую температуру для подобных существ, – но книги Лоуэлла пробудили у публики достойный его эпохи интерес к планетологии.

Карл Саган, более близкий к нам по времени, но настолько же незашоренный энтузиаст поисков инопланетной жизни, изучал химическую эволюцию добиологических соединений на Марсе, Титане, Венере и древней Земле, а также на кометах, астероидах и по всему космосу. Он признавал, что наши планеты – это лишь несколько капель во вселенском океане и что без огромного везения нам не разобраться, где именно искать жизнь; также Саган был горячим сторонником двух величайших научных экспедиций в истории – программ «Вояджер» и «Викинг».

Первые устройства, которые достигли поверхности Марса и успешно выполнили программу исследований, – посадочные модули «Викинг-1» и «Викинг-2» – были запущены в 1975 г. и практически бесперебойно проработали несколько лет. Каждая из этих экспедиций включала в себя пару космических аппаратов – орбитальный модуль для картографирования марсианской поверхности и крупный посадочный модуль для оценки обитаемости планеты и проведения экспериментов по поиску там жизни. Оба посадочных модуля сели в холодных пустынях – один на равнине Хриса, другой на равнине Утопия – и выдержали многие марсианские ночи и морозные зимы, получая энергию от радиоизотопных термоэлектрических генераторов. Эти экспедиции были поразительными достижениями, но в плане поиска жизни или хотя бы подходящих условий для нее удача им не сопутствовала. Поскольку их посадочные аппараты не были мобильными, не могли они и сменить место работы. Закипели споры о том, те ли они провели эксперименты и в тех ли точках, или же и то и то нужно было делать совсем по-другому.

Наука – ветреная особа, и, поскольку экспедиции «Викингов» не добились успеха в поисках жизни, она повернулась к Марсу спиной. Энергия ученых была направлена в другое русло. Аппараты «Вояджер» и «Галилео» пролетели через внешнюю Солнечную систему, «Магеллан» составил геологическую карту Венеры, а советские ученые приложили значительные усилия, чтобы совершить посадку на спутник Марса Фобос. В 1986 г. Япония, Европа и СССР отправили экспедиции к комете Галлея. Успешных полетов к Марсу, организованных NASA или кем-либо еще, не было до 1997 г. Немыслимо, но к Луне между 1976-м и 1990 г. тоже никто не летал.

Без новых данных споры о наличии на Марсе воды стали беспредметными и ожесточенными. К 1998 г., когда я поступил в магистратуру и впервые столкнулся с этими новейшими воззрениями, ученые делились на тех, кто соглашался, что на Марсе есть хотя бы признаки наличия заметного количества жидкой воды, и тех, кто это отрицал. Были распространены мнения, что каналы и каньоны либо образовались за миллиарды лет воздействия переносимого ветром песка, либо были пробиты реками насыщенного пылью углекислого газа, высвобожденного из грунта. То есть в ходу были любые версии, кроме влияния жидкой воды, которое считалось невероятным. По прошествии времени можно сказать, что этот характерный для 1980-х гг. скепсис по поводу наличия на Марсе воды был довольно странным, хотя именно скепсис является самым мощным инструментом науки. С тех пор благодаря последующим запускам посадочных и орбитальных модулей с усовершенствованными спектрометрами и радарами доказательства наличия на Марсе жидкой воды стали неопровержимыми. Когда-то она протекала по глубоким расселинам и каньонам, образовывала несколько медленных рек с извилистым руслом и наполняла широкие кратерные озера. Вода заполняла вызывающую такие споры Великую Северную равнину, образовывая Северный океан. Маятник научного интереса качнулся в обратную сторону до такой степени, что теперь на Марс приходится львиная доля бюджета, выделяемого NASA на изучение Солнечной системы.

Самые амбициозные из этих планов – операция по доставке на Землю марсианских образцов. Она начнется с запуска тяжелого марсохода «Марс-2020», который совершит посадку около дельты предполагаемой реки в кратере Езеро и соберет образцы в несколько контейнеров. Если все пройдет хорошо, следующая экспедиция совершит посадку рядом с контейнерами, подберет их и запустит на орбиту вокруг Марса (в чем-то это похоже на то, как советские автоматические межпланетные станции «Луна» в начале 1970-х гг. брали образцы с поверхности Луны, но теперь для возвращения будет использоваться более тяжелая ракета, чтобы преодолеть более сильное притяжение Марса). На последнем этапе еще одна экспедиция заберет образцы с орбиты и доставит их на Землю. Все это выглядит достаточно сложной затеей, и так оно и есть. Три полета в совокупности будут стоить примерно те же 10 млрд долларов, что и космический телескоп «Джеймс Уэбб», так что этот проект должен стать объектом столь же внимательного рассмотрения. (С другой стороны, не забывайте, что 10 млрд – это не такая уж большая сумма.) Можете считать меня скептиком, но, по-моему, все яйца тут сложены в одну корзину и риски высоки. Наши ракеты никогда не стартовали с поверхности Марса, мы никогда не возвращали полезную нагрузку с орбиты в глубоком космосе, где задержка связи с Землей составляет от пяти до двадцати минут. И если два первых этапа пройдут хорошо, будет катастрофой провалить последний, так что его цена взлетит до небес. Вместо этого я предлагаю вначале сосредоточиться на активном исследовании Луны с помощью роботов, поднять таким образом уровень готовности технологии, а затем напрямую забрать контейнеры, оставленные «Марсом-2020» в кратере Езеро, и, возможно, даже уложиться в расписание.

Если образцы, привезенные с Марса, дадут однозначные доказательства существования там жизни, стоит ли нам удивляться? Разумеется, на Марсе была жизнь – примерно 4 млрд лет назад. Мы можем догадаться об этом с помощью дедукции. Примерно в это время жизнь на Земле цвела в достаточном изобилии, чтобы оставить след в геологической летописи, а материалы с поверхности перемещались туда и обратно между соседними планетами. Это была эпоха баллистической панспермии, когда выносливые организмы (например, споры, вирусы и бактерии в анабиозе) путешествовали на выброшенных в космос крупных фрагментах горных пород. На Земле возникали кратеры масштаба Моря Дождей и Моря Восточного; множество фрагментов пород верхнего слоя коры выходили на траектории, ведущие за пределы земной орбиты. Моделирование этих траекторий с использованием тех же компьютерных программ, которые применяются при планировании экспедиций в глубокий космос, показывает, что такие фрагменты заканчивали свой путь на Луне, Марсе, Венере и Меркурии, иногда добираясь туда всего за несколько лет, хотя чаще путь занимал десятки веков. Так что земная жизнь точно попадала на Марс. Смогла ли она там выжить – это уже другой вопрос.

Юджин Шумейкер предугадал существование такого обмена материалами разных планет в статье под названием «Межпланетная корреляция геологического времени» (Interplanetary Correlation of Geologic Time), вышедшей в 1963 г., вскоре после защиты им кандидатской диссертации об Аризонском кратере. Вместе с коллегами он после серии расчетов пришел к выводу о том, что метеориты с древней Земли и Марса будут найдены на Луне. Отыскать их будет нелегко: в образцах с «Аполлонов» их не заметно, хотя несколько таких пылинок там явно присутствовало, как и, возможно, фрагменты пород, напоминающих гранит. Если на Луне удастся распознать и собрать крупные фрагменты пород верхнего слоя земной коры – или даже осадочных пород, – мы будем иметь настоящие капсулы времени, хранившиеся в идеальных условиях с момента зарождения жизни. Шумейкер и его коллеги писали:

Как работает панспермия? Когда зарождалась жизнь и формировались крупнейшие кратеры, осколки Марса отправлялись в путь на Землю, и наоборот. Направление от Марса к Земле было предпочтительным: тут важен и его меньший размер, и менее мощная атмосфера, благодаря чему фрагменты легче вылетали в космос, и то, что он находится на более высокой орбите и ближе к бомбардирующим поверхность астероидам. Но движение в обратном направлении тоже имело место. Любой крупный эпизод кратерообразования порождал целую россыпь мелких астероидов диаметром от десяти до нескольких сотен метров. Условия для жизни там должны были быть суровыми, но адаптировавшиеся к непростой жизни у поверхности молодой планеты экстремофилы, отправившиеся в такое путешествие, были готовы ко всему. Выброс в космос, затем десятилетие или больше внутри нескольких десятков кубических метров горной породы. После такого вход в атмосферу или в океан другой планеты – серьезная встряска! – покажется просто пустяком. Если не считать космической радиации (от которой защищают камни), в смысле враждебного хаоса все это может быть не страшнее, чем пребывание на поверхности планеты. Крошечные организмы, притаившиеся в порах осадочных пород, могут быть защищены от повреждений, даже если камень вокруг них взорвется, особенно если они прибывают на планету с атмосферой.

Озерные и дельтовые отложения на западной стороне кратера Езеро. Этот район скоро станет нам хорошо знаком благодаря работе американского марсохода «Марс-2020», который соберет образцы для последующего возвращения на Землю. Западный край кратера был прорван широким потоком, который выносил ил и песок в древнее озеро, создавая обширную дельту. Постоянные течения чередовались с мощными паводками. Возникшие позднее русла-протоки, которые прорезали эти отложения, а также наличие 600-метрового кратера глубиной более 100 м, делают это место очень интересным с точки зрения поиска окаменелостей.

Столкновения с астероидами также способны уничтожать жизнь и становиться причиной миграций на Земле. Соударение, породившее кратер Чикшулуб, не только истребило огромную часть живых организмов, но и перенесло самые выносливые образцы жизни на 10 000 км от места удара, позволив им заселить новые районы планеты. Тараканы от него точно только выиграли. Не так давно ученые обнаружили высоко в Трансантарктических горах окаменелости диатомовых водорослей, залегание которых позволяет предположить, что они были исторгнуты при столкновении с Элтанинским метеоритом 2,5 млн лет назад, когда километровый астероид пробил 20-километровую дыру в дне Южного океана. Глубина в месте столкновения составляла 5 км, так что оно разрушило подводные вершины, выбросило тысячи кубических километров воды и разбросало по дну фрагменты астероида, которые находят морские геологи при глубоководном бурении. Дыра в океане схлопнулась примерно за минуту, сформировав центральный пик, который на одно поразительное мгновение оказался выше Фудзиямы, а потом обрушился, вызвав череду цунами высотой в сотню метров по целому полушарию. С тех пор, возможно, подобные события повторялись три или четыре раза. Большая часть изверженной при падении Элтанина породы приземлилась обратно в океан, но сотни миллионов тонн отправились на орбиту или на дальние берега.

Возможно, у нас никогда не выйдет строго доказать связь выбросов Элтанина с трансантарктическими окаменелостями. Разрешить споры по поводу Марса будет не легче. Тем не менее гипотеза звучит убедительно. Чтобы жизнь попала с Марса или на Марс, требуются более крупные столкновения, чем Элтанин, но таких было множество. Предположим, мы находим на Марсе окаменелые останки микробных матов или древних диатомовых водорослей. Если они имеют знакомую нам химию, возможно, мы действительно смотрим на организмы, попавшие на Марс вместе с веществом, изверженным при образовании крупных земных кратеров. Иначе говоря, это жизнь, возникшая на Земле, что объясняет ее знакомые нам черты.

Однако направление от Марса к Земле является предпочтительным для панспермии. Более того, возможно, Марс был готов к жизни раньше, чем Земля, поскольку он меньше и соответственно быстрее остыл после стадии радиоактивного расплава и последних гигантских столкновений. Если на древнем Марсе в изобилии существовала жизнь, то физика соударений и небесная механика позволяют сделать четкое заключение о ее переносе на Землю. Если марсианский организм выжил в космосе и переправился в количестве, достаточном для того, чтобы закрепиться на Земле, то, возможно, он и является нашим общим предком. Спорно? Конечно. Но на этот раз гипотеза является проверяемой: ответы, возможно, найдутся в изверженных породах древней Земли, которые были смешаны с самым ранним реголитом Луны.

Но что, если мы обнаружим на Марсе нечто очень необычное и совершенно незнакомое: окаменевшую жизненную форму или даже живой организм, про который мы сможем с уверенностью сказать, что он никоим образом не связан с Землей и восходит к иному моменту зарождения жизни, иному «акту творения»? Не знаю, как мы сумеем это строго доказать, но подобная находка будет намекать, что жизнь во Вселенной может возникать повсюду, где есть условия, подобные земным, внутри некоего диапазона между предельными значениями. Но если жизнь зарождается повсюду, то, возможно, с тем же успехом – и даже гораздо легче – мы найдем свидетельства «первого творения» прямо здесь, на Земле, где такие организмы могли быть вытеснены после нашего «второго творения», как Homo sapiens вытеснили неандертальцев. На Земле даже могла существовать своя аборигенная жизнь, развитию которой помешала панспермия с Марса; тогда мы с вами являемся марсианскими агрессорами.