Воображаемая жизнь (ЛП) - Трефил Джеймс - Страница 27

Если ядро Нептунии размером с Землю, а глубина её океана составляет 100 миль, то давление на скальном дне океана будет примерно в 16 раз выше давления в Марианской впадине. Это эквивалентно тому, что на каждом квадратном дюйме вашей кожи стоит около 20 слонов.

Давление такой величины можно легко создать в лабораториях с помощью устройства под названием «алмазная наковальня», в котором исследуемый образец раздавливается между двумя алмазами. Один алмаз имеет выемку, в которую помещается образец, а другой — выпуклость, которая соответствует углублению. Поскольку давление зависит от размера области, к которой прикладывается сила, и поскольку точка соприкосновения в этом инструменте очень маленькая, он может развивать огромное давление при относительно небольшом приложенном усилии. Такие устройства могут создавать давление, значительно превышающее то, с каким мы столкнулись бы на Нептунии. (Кстати, у исследований в области высоких давлений есть заметный привкус Дикого Запада — например, учёные, работающие в этой области, часто рассказывают, что их алмазы раскалываются со звуком, похожим на выстрел.)

При высоком давлении материалы ведут себя странным образом: при повышении давления атомы и электроны смещаются и перестраиваются — протекает процесс, который может коренным образом изменить природу материала. Кислород, который при нормальном давлении является бесцветным, безвкусным газом, по мере увеличения давления на него становится синим, затем превращается в рубиново-красный кристалл и, наконец, в блестящий металл. Аналогичные изменения наблюдались и в других материалах. На Земле такого рода изменения наблюдаются только в лабораториях, потому что происходят они при давлениях, намного превышающих те, что наблюдаются даже в Марианской впадине.

Чтобы понять, что мы увидим, когда спустимся в океан Нептунии, мы должны обсудить понятие фазового перехода. Обычно мы считаем, что такие вещества, как вода, находятся в трёх фазах: газообразной (пар), жидкой и твёрдой (лёд). Переходы между ними (такие, как замерзание и кипение) называются фазовыми переходами. Нас будет интересовать в первую очередь переход из жидкого состояния в твёрдое, поэтому давайте посмотрим, как выглядит процесс замерзания на молекулярном уровне. В жидкости молекулы движутся свободно, но находятся в тесном контакте со своими соседями — представьте себе мешок, полный шариков, перекатывающихся друг через друга. В твёрдом теле молекулы образуют жёсткие структуры, словно собранные из конструктора. Таким образом, чтобы произошёл переход из жидкого состояния в твёрдое, мы должны отвести энергию из системы и лишить молекулы свободы движения. Вы делаете это всякий раз, когда кладёте кубик льда в стакан, чтобы охладить напиток — тепловая энергия из вашего напитка переходит в лёд и плавит его (т.е. меняет его фазу), и, соответственно, температура вашего напитка падает.

Осознание того, что вода — старая добрая Н2О — является одним из самых странных веществ во Вселенной, часто повергает в шок. Учёные обнаружили, что при изменении температуры и давления вода может существовать в виде не менее чем 17 фаз льда, каждой из которых соответствует различное расположение атомов водорода и кислорода. Эти отличающиеся друг от друга фазы обычно обозначаются римскими цифрами — например, «лёд X» (лёд 10); название вещества мы обсудим далее. (Следует отметить, что ни одна из фаз льда, которые мы обсудим, не имеет ничего общего с вымышленным льдом-девять из романа Курта Воннегута «Колыбель для кошки».)

Лёд, с которым мы знакомы — тот, который образуется на поверхности тротуара, когда мы пишем эти строки холодным январским днём, — называется лёд Ih («лёд один-аш»). Во льду этого типа молекулы воды расположены в гексагональном порядке («h» означает «гексагональный»). В нашей земной среде нет ничего, что могло бы создать достаточное давление для преобразования льда Ih в любую из иных форм льда, хотя при очень низких температурах (ниже -368° F или -222° C) образуется структура, называемая льдом XI, где шестиугольники выстраиваются более упорядоченно, чем во льду Ih.

(window.adrunTag = window.adrunTag || []).push({v: 1, el: 'adrun-4-390', c: 4, b: 390})

Ситуация несколько усложняется, когда дело доходит до того давления, которое мы ожидаем обнаружить на дне океана Нептунии. Если его глубина достигает 100 миль, то давление там будет составлять около 16 000 атмосфер. Давление такой величины способно превратить жидкую воду в лёд VI при нормальной температуре воды. Молекулы льда VI обладают так называемым тетрагональным расположением. (Представьте, что вы взяли куб и растянули его так, чтобы его бока стали прямоугольниками, а не квадратами.) Таким образом, из-за давления воды над скалистой мантией Нептунии должен находиться слой льда VI, а над ним — жидкий океан. Это означает, что глубоководные местообитания Нептунии будут напоминать таковые на Айсхейме — горячие источники создают полости и тоннели жидкой воды, в которых под слоем льда могла бы развиваться жизнь.

Это пояснение иллюстрирует важный момент, связанный с водой. Неважно, насколько высока температура — жидкую воду всегда можно превратить в одну из фаз льда, увеличив давление. Именно этот факт сделает поверхность мантии у водных миров таким интересным местом. Например, мы исходили из предположения, что тепло, выносимое на поверхность камня гидротермальными источниками, способно растопить слои лежащего над ними льда. Однако дело в том, что если бы давление на дне океана Нептунии было чуть выше — если бы твёрдое ядро планеты было значительно больше Земли или океан был значительно глубже наших предполагаемых 100 миль — это предположение уже было бы неверным. Это происходит потому, что при таком давлении мы бы начали получать лёд X. Лёд X — это кристалл кубической формы, который существует только при чрезвычайно высоких давлениях — давлениях, которых нет в земной среде, но которые легко можно найти на экзопланетах. С нашей точки зрения, ключевым фактом в отношении льда X является то, что его нельзя растопить, повысив его температуру. Как только давление спрессовало молекулы воды в лёд X, тепло, связанное с восходящим током магмы, просто не сможет их расшатать.

Водный мир со слоем льда X прямо над его мантией был бы странным местом. Магма, выходящая на каменистую поверхность, обнаружит, что её продвижение вверх перекрыто слоем льда, который не растает. Это переросло бы в битву между силой восходящего тока магмы и структурной целостностью ледяного покрова. Результат будет зависеть от особенностей ситуации — например, важное значение будет иметь толщина ледяного покрова.

Относительно тонкий слой льда X может непрерывно вспучиваться и трескаться, подобно тому, как внешний слой твёрдой Земли распадается на тектонические плиты из-за того, что мантийная конвекция выносит магму на поверхность. Поэтому пограничный слой, который образует лёд X, будет аналогичен земной коре. Но хотя мы ожидали бы увидеть непрерывное образование трещин в покрове изо льда X, если бы он оказался достаточно толстым, конвективное тепло накапливалось бы до тех пор, пока магма не вырвалась бы наружу в результате события, напоминающего взрыв. Это ситуация, которая, как мы полагаем, наблюдается на Венере, кора которой настолько тонкая, что тепло накапливается под ней до тех пор, пока не вызовет «взрывной выброс» глобального масштаба. В этом случае вся поверхностная кора планеты распадается на куски, которые затем погружаются в магму под ней — это сценарий, который, как полагают, реализуется на Венере каждые 500 миллионов лет или около того.

Сможет ли жизнь сформироваться на такой поверхности, зависит от того, насколько долго мог сохраняться стабильный пограничный слой льда X, прежде чем его разрушил жар под ним. Если бы он мог просуществовать сотни миллионов лет, то, возможно, там могла бы возникнуть сложная химия. Но если бы распад произошел быстро, то эта территория, вероятно, была бы слишком неспокойным местом для развития жизни. Таким образом, существует ряд ограничений на размер ядра Нептунии и глубину её океана, за рамками которых развитие жизни было бы невозможно из-за свойств льда X. За этими рамками жизнь возникла бы только на поверхности океана планеты. Давайте назовём это «пределом льда X».