На современном Марсе поверхность кажется крайне неблагоприятной для жизни. Планета холодная, атмосфера очень разреженная, жидкая вода на открытой поверхности быстро теряет устойчивость, а интенсивное ультрафиолетовое излучение создает дополнительную угрозу для органических молекул и микроорганизмов. При этом марсианская атмосфера содержит водяной пар, а многочисленные соли способны поглощать его и образовывать небольшие количества жидкого раствора.
Возникает проблема: условия, при которых соли могут получить воду из атмосферы, обычно приходятся на холодное время суток. Днем температура повышается, но относительная влажность резко падает, и образовавшаяся жидкость должна быстро испаряться.
Новое исследование предлагает механизм, который может изменить эту картину. Согласно разработанной концептуальной модели, суточные перепады температуры способны постоянно менять объем соляных кристаллов. Ночью охлаждение может способствовать появлению или расширению микроскопических трещин, по которым внутрь кристалла проникает тонкий слой рассола. После нагрева днем кристалл расширяется, и трещины частично закрываются. В результате часть воды потенциально остается внутри соли даже тогда, когда окружающая поверхность уже стала сухой.
Речь идет не о крупных подземных резервуарах и не о стабильных марсианских озерах. Предполагаемый механизм действует на микроскопическом уровне и способен создавать лишь временные влажные участки внутри соляных структур. Исследователи рассматривают их как возможные микросреды, в которых гипотетические микроорганизмы могли бы одновременно получить доступ к жидкому раствору и к более умеренным дневным температурам. Однако работа является концептуальным анализом осуществимости такого механизма, а не обнаружением воды или жизни на Марсе.
Почему вода и подходящая температура на Марсе оказываются несовместимы
Ночью соли получают влагу из атмосферы
В марсианском суточном цикле есть своеобразное противоречие. Ночью поверхность сильно охлаждается, а относительная влажность атмосферы у поверхности повышается. Некоторые гигроскопичные соли способны поглощать водяной пар из воздуха. Этот процесс называется деликвесценцией: соль связывает влагу и при подходящих условиях образует жидкий раствор на своей поверхности.
Именно поэтому ночные часы потенциально наиболее благоприятны для появления микроскопических объемов жидкого раствора. Но одновременно ночь на Марсе связана с очень низкими температурами. В экваториальных районах, где суточные температурные изменения особенно велики, моделирование использует температуры порядка 150–300 К, то есть примерно от −123 до +27 °C в рассматриваемом диапазоне. В отдельных реальных регионах наблюдаемые значения могут отличаться.
Для земной биологии наличие воды само по себе недостаточно. Микроорганизмам необходимы приемлемые температура, доступная для метаболизма вода и подходящие химические условия. Поэтому холодный ночной рассол не автоматически превращает участок марсианской поверхности в пригодную для жизни среду.
Днем становится теплее, но поверхность высыхает
После восхода Солнца ситуация меняется. Температура поверхности повышается, иногда достигая значений, при которых земные микроорганизмы в принципе способны осуществлять метаболические процессы. Но одновременно относительная влажность возле поверхности резко снижается.
Если жидкость непосредственно соприкасается с сухой марсианской атмосферой, вода из нее быстро теряется. Поэтому возникает обратное противоречие: в период, когда температура становится более благоприятной, окружающая среда оказывается слишком сухой.
Именно этот разрыв между ночной влажностью и дневным теплом является центральной проблемой, которую рассматривает новая модель. Она не предполагает появления больших устойчивых водоемов, а ищет способ сохранить небольшое количество воды внутри самой соляной структуры.
Как микротрещины могут работать как ловушки для воды
Суточное охлаждение заставляет кристаллы сжиматься
Любое твердое вещество меняет свои размеры при изменении температуры. Для марсианских солей этот эффект особенно интересен из-за огромной разницы между дневным и ночным нагревом.
Исследователи рассчитали изменения объема для нескольких минералов и солей, которые могут встречаться на Марсе. Для галита — кристаллического хлорида натрия — изменение объема между 150 и 300 К составляет около 1,64%. Для гипса получена величина около 0,87%, а для двух рассмотренных разновидностей сульфата магния — примерно 0,50 и 0,57%. Для концентрированных растворов хлорида кальция расчетные изменения объема еще больше, но поведение жидкости отличается от поведения твердого кристалла.
Это не означает, что каждый соляной кристалл на Марсе обязательно трескается на каждом цикле нагревания и охлаждения. Изменение объема создает механические напряжения, но образование и развитие трещин зависят также от структуры минерала, его дефектов, анизотропии и конкретных условий окружающей среды.
Именно поэтому авторы рассматривают тепловое расширение как физический механизм, который потенциально может способствовать формированию микротрещин, а не как доказанный универсальный процесс, происходящий со всеми марсианскими солями.
Ночная влага может проникать внутрь
Если в охлажденной соляной структуре существуют микроскопические трещины или поры, образовавшийся ночью жидкий раствор потенциально может проникать по ним внутрь.
Здесь сочетаются два процесса. Первый — поглощение водяного пара гигроскопичной солью. Второй — изменение размеров кристалла вследствие температурного цикла.
При охлаждении микротрещины могут открываться или становиться шире. В этот момент внутри них может оказаться тонкий слой жидкости, образовавшейся благодаря деликвесценции. Когда утром кристалл начинает нагреваться, он расширяется, и трещины могут частично закрываться.
Таким образом, вода оказывается не на открытой поверхности, где ее быстро высушит атмосфера, а внутри микроскопического канала.
Что происходит с водой после восхода Солнца
Кристалл может частично закрыть трещину
Главная идея модели заключается именно в смене состояния микротрещины в течение суток.
Ночью охлаждение способствует ее раскрытию и одновременно создает условия для накопления влаги. Утром нагревание вызывает обратное расширение кристалла. Если трещина становится достаточно узкой, воздухообмен между внутренней частью и атмосферой уменьшается.
В такой ситуации внешняя поверхность соли может уже полностью высохнуть, а небольшое количество раствора внутри кристалла сохранится дольше.
Важно подчеркнуть, что «закрытие» в данном случае не следует понимать как гарантированную герметичную закупорку. Авторы исследования специально отмечают, что тепловое расширение не обязательно полностью перекрывает микротрещину. Скорость потери воды зависит от размера и геометрии канала, свойств материала, движения водяного пара и других факторов, которые пока недостаточно изучены.
Поэтому речь идет о возможности временного удержания рассола, а не о создании полностью изолированной камеры.
Вода может оставаться доступной в более теплый период
Если механизм работает именно так, то важное преимущество возникает днем. Внутри соляной структуры может сохраняться жидкий раствор в то время, когда открытая поверхность Марса уже стала слишком сухой.
Получается необычная последовательность: холодная и влажная ночь обеспечивает накопление воды, а последующее дневное потепление создает более подходящую температуру, при этом соль частично ограничивает испарение.
Такой цикл потенциально может продолжаться снова и снова, если локальные условия позволяют соли регулярно получать влагу из атмосферы и сохранять внутренние микротрещины.
Это не означает постоянного существования жидкой воды. Предполагаемая микросреда должна быть временной и зависеть от конкретного места, сезона и состава соляных отложений.
Где на Марсе такая среда может возникать
Особенно интересны экваториальные районы
Для работы механизма важны значительные суточные перепады температуры. Поэтому авторы уделяют внимание экваториальным областям Марса, где наблюдаются особенно сильные изменения температуры между днем и ночью.
В качестве одного из районов для климатического моделирования рассматривалась Acidalia Planitia — крупная равнина в северном полушарии Марса.
Расчеты показывают, что вблизи этой области условия для ночного образования микроскопической жидкости на поверхности солей могут возникать примерно в течение 100–130 марсианских суток за один марсианский год. Это не означает, что вода находится там все это время и тем более не означает постоянной обитаемости. Речь идет о суммарных периодах, когда климатические условия модели допускают образование микроскопической жидкости за счет деликвесценции.
Кроме того, реальные условия могут заметно меняться даже на сравнительно небольших расстояниях из-за свойств грунта, рельефа, содержания солей и теплофизических характеристик поверхности.
Соляные отложения действительно обнаружены на Марсе
Гипотеза основана не на предположении, что соли каким-то образом должны существовать на Марсе. Различные соляные и связанные с испарительными процессами минеральные отложения действительно обнаружены на планете.
Орбитальные исследования выявили хлоридные, сульфатные и другие солевые отложения во многих районах Марса. В исследовании рассматриваются различные гигроскопичные материалы, среди которых хлорид натрия, хлорид кальция, перхлорат кальция, гипс и сульфат магния. Однако способность конкретного минерала связывать воду и сохранять жидкость зависит от его химического состава и условий окружающей среды.
Особый интерес представляют именно соли, способные поглощать атмосферную влагу. Их наличие делает возможным первый этап предлагаемого механизма — получение воды непосредственно из марсианской атмосферы.
Почему речь идет именно о рассоле, а не о чистой воде
Важная деталь заключается в том, что на поверхности современного Марса не следует ожидать обычной жидкой воды, подобной земной.
Соль снижает температуру замерзания раствора и позволяет воде оставаться жидкой при более низких температурах. Поэтому в марсианских условиях рассматриваются прежде всего рассолы — водные растворы с высокой концентрацией растворенных веществ.
Однако высокая концентрация соли одновременно создает серьезные ограничения для жизни. Вода в рассоле может физически существовать, но это не означает, что она доступна живым клеткам в необходимом количестве.
Для оценки пригодности среды важна так называемая активность воды — показатель того, насколько вода доступна для биологических процессов. Поэтому простого факта образования жидкого раствора недостаточно для вывода о его обитаемости. Предыдущие исследования марсианских рассолов показывали, что многие из них имеют слишком низкую активность воды и слишком низкую температуру для размножения известных земных организмов.
Новая работа предлагает механизм, при котором жидкость может сохраняться в более теплый дневной период. Но химический состав этой жидкости остается не менее важным вопросом, чем ее температура и продолжительность существования.
Что дают соляные микротрещины гипотетическим микроорганизмам
Защита от ультрафиолета
Одно из преимуществ внутренней микросреды связано не только с водой.
Поверхность Марса получает интенсивное ультрафиолетовое излучение. В отличие от земной поверхности, Марс практически лишен глобального озонового экрана, который на Земле поглощает значительную часть опасного ультрафиолета.
Если микроорганизм находится непосредственно на поверхности, ультрафиолет становится серьезным фактором окружающей среды. Но даже небольшой слой минерала способен ослаблять поступающее излучение.
Модель рассматривает глубину порядка 2–3 миллиметров внутри соляной или грунтовой структуры. По расчетам, такая глубина может обеспечивать частичную защиту от ультрафиолетового излучения, сохраняя при этом доступ некоторого количества видимого света.
Это особенно интересно в контексте возможных фотосинтезирующих микроорганизмов: теоретически защита от ультрафиолета может сочетаться с сохранением части солнечного света, необходимого для получения энергии.
Но от космического излучения тонкий слой соли не спасает полностью
Защита от ультрафиолета не означает защиту от всех опасностей марсианской среды.
Космические лучи обладают значительно большей проникающей способностью. Несколько миллиметров минерала могут существенно отличаться от открытой поверхности с точки зрения ультрафиолетового облучения, но такой слой не является надежным экраном от высокоэнергетического космического излучения.
Поэтому предполагаемая микросреда решает только часть проблемы. Даже если внутри трещины действительно сохраняется жидкий рассол при подходящей температуре, гипотетические организмы по-прежнему должны выдерживать радиацию, высокую концентрацию солей и другие неблагоприятные факторы.
На Земле уже существует похожий пример
Микроорганизмы внутри галита пустыни Атакама
Одна из причин, по которой предложенный механизм представляет интерес, заключается в существовании земных аналогов.
В пустыне Атакама в Чили — одном из самых сухих мест Земли — микроорганизмы обнаруживаются непосредственно внутри соляных минералов. В частности, цианобактерии могут обитать в порах кристаллов галита.
Такая среда обеспечивает сразу несколько преимуществ. Соль способна поглощать влагу из атмосферы, а сам кристалл создает физическое укрытие от внешней среды. Кроме того, галит является частично прозрачным для видимого света, поэтому у находящихся внутри него фотосинтезирующих организмов сохраняется возможность получать энергию от солнечного излучения.
Это не является доказательством существования аналогичных организмов на Марсе. Но земной пример показывает, что сама идея жизни внутри соляных минералов физически не противоречит известной биологии.
Именно поэтому марсианские соляные отложения представляют интерес как потенциальные объекты для поиска микробных следов. Земные аналоги позволяют понять, какие свойства минералов могут способствовать сохранению микроорганизмов в крайне сухой среде.
Почему даже наличие воды не означает наличие жизни
Главная проблема — вода должна быть пригодна для биологических процессов
В популярном представлении поиск жизни на Марсе часто сводится к поиску жидкой воды. Но с точки зрения астробиологии этого недостаточно.
Для функционирования клетки необходима вода с определенными физико-химическими свойствами. Слишком высокая концентрация растворенных веществ может сделать воду практически недоступной для клеточного метаболизма. Кроме того, некоторые химические среды повреждают белки и клеточные мембраны.
Поэтому обнаружение даже временной жидкой фазы внутри соляного кристалла было бы только одним из условий потенциальной обитаемости.
Исследователи отдельно отмечают, что высокое содержание ионов, химические свойства концентрированных растворов и другие факторы способны ограничивать рост земных микроорганизмов. Особенно важны перхлоратные соединения, которые широко рассматриваются в контексте химии марсианского грунта.
Таким образом, предполагаемая среда может быть одновременно более влажной и теплой, чем открытая поверхность, но все равно оставаться чрезвычайно тяжелой для земной жизни.
Перхлораты могут создавать дополнительные ограничения
Перхлораты особенно важны потому, что они известны на Марсе и способны участвовать в образовании рассолов.
С одной стороны, их присутствие может способствовать существованию жидких растворов при низких температурах. С другой стороны, высококонцентрированные перхлоратные растворы обладают химическими свойствами, неблагоприятными для земных организмов.
Поэтому состав предполагаемых микротрещин имеет принципиальное значение. Нельзя просто сказать: «внутри соли есть вода — значит, там может жить микроб». Необходимо знать концентрацию солей, активность воды, температуру, радиационную обстановку и доступные источники энергии.
Именно совокупность этих параметров определяет, является ли конкретная микросреда потенциально обитаемой.
Сколько времени такая вода может существовать
Одним из наиболее важных нерешенных вопросов остается продолжительность сохранения жидкости.
Предложенная модель показывает физическую возможность того, что микротрещины открываются и закрываются вслед за суточным температурным циклом. Но закрытие трещины не гарантирует полной герметизации.
Если канал остается хотя бы частично открытым, вода может постепенно уходить в атмосферу. Скорость этого процесса будет зависеть от размеров трещины, свойств соли, давления, температуры, относительной влажности и движения водяного пара.
Поэтому утверждение о том, что вода обязательно сохраняется внутри кристалла в течение нескольких часов, было бы слишком сильным. Корректнее говорить о возможности временного удержания жидкости, которую еще предстоит проверить экспериментально и теоретически.
Авторы прямо относят работу к концептуальному анализу осуществимости механизма и указывают, что процессы удержания воды и ее диффузии требуют дальнейшего исследования.
Почему расчеты теплового расширения важны
Разные соли ведут себя по-разному
Исследование не ограничивается одним галитом. Авторы сравнили тепловые изменения нескольких минералов и растворов, которые имеют отношение к марсианской среде.
Для NaCl изменение объема между 150 и 300 К оценено примерно в 1,64%. Для гипса — около 0,865%. Для альфа- и бета-форм сульфата магния получены значения около 0,50 и 0,57%. Для растворов хлорида кальция расчетные изменения объема составили несколько процентов и зависели от концентрации.
Эти цифры показывают, что температурные изменения действительно способны приводить к заметным изменениям размеров вещества на рассматриваемом диапазоне температур.
Но сравнивать их напрямую как одинаковый физический эффект нельзя. Твердый кристалл и жидкий рассол реагируют на нагревание по-разному. В кристалле расширение может влиять на механические напряжения и раскрытие трещин, а в жидкости изменение объема может влиять на давление и перемещение раствора.
Кроме того, для некоторых марсианских солей экспериментальных данных о тепловом расширении при соответствующих температурах пока недостаточно. Поэтому полученные значения являются основой для проверки гипотезы, а не точным прогнозом поведения всех солей на Марсе.
Как микросреда могла бы работать в течение марсианских суток
Предлагаемый механизм можно представить как последовательность нескольких этапов.
Ночью поверхность охлаждается. Относительная влажность возле поверхности повышается, а гигроскопичная соль поглощает водяной пар. Одновременно охлаждение вызывает изменение объема кристалла и может способствовать раскрытию существующих микротрещин.
В образовавшиеся каналы проникает тонкий слой жидкого раствора. Это происходит не потому, что на Марсе появляется обычная дождевая или талая вода, а вследствие взаимодействия атмосферного водяного пара с гигроскопичной солью.
Затем после восхода Солнца температура повышается. Кристалл расширяется, и микротрещины могут частично закрываться. Вода внутри них оказывается менее доступной для сухой атмосферы.
Одновременно наружная поверхность продолжает высыхать. Поэтому в непосредственной близости друг от друга могут существовать две сильно различающиеся среды: сухая поверхность и небольшая влажная область внутри минерала.
Позже, при очередном охлаждении, механическое состояние кристалла снова изменяется. Если трещины открываются, цикл может повториться.
Именно циклический характер процесса является одной из наиболее интересных особенностей предложенной модели. Это не постоянный источник воды, а потенциально повторяющийся механизм кратковременного накопления влаги.
Может ли там существовать фотосинтез
Авторы рассматривают такие микротрещины как потенциальную среду для фотосинтезирующих организмов, поскольку небольшая глубина внутри минерала одновременно может уменьшать воздействие ультрафиолета и пропускать часть видимого света.
Но это остается гипотезой о потенциальной среде, а не утверждением о наличии фотосинтеза на современном Марсе.
Даже на Земле фотосинтезирующие микроорганизмы требуют подходящих условий по температуре, доступности воды, химическому составу среды и источникам питательных веществ. На Марсе к этому добавляются высокая радиационная нагрузка, разреженная атмосфера и экстремальная сухость.
Поэтому возможность проникновения света внутрь соли лишь устраняет одну потенциальную проблему. Она не показывает, что гипотетический марсианский организм действительно сможет использовать этот свет.
Где искать такие микросреды
Предложенная модель имеет непосредственное значение для будущего поиска потенциально обитаемых мест на поверхности Марса.
Если механизм действительно существует, искать следы возможной микробной активности имеет смысл не только в местах, где когда-то находились крупные водоемы. Интерес могут представлять современные соляные отложения, особенно там, где одновременно выполняются несколько условий: высокая относительная влажность ночью, значительные суточные перепады температуры и наличие гигроскопичных минералов.
Особенно перспективными с точки зрения модели выглядят соляные структуры в экваториальных районах, где суточные температурные колебания могут быть особенно значительными.
При этом визуально определить наличие подходящей микросреды с орбиты будет сложно. Предполагаемые трещины имеют микроскопические размеры, а важные процессы происходят внутри минералов. Поэтому для проверки гипотезы могут потребоваться наблюдения непосредственно на поверхности или лабораторные исследования аналогичных материалов.
Что потребуется, чтобы проверить гипотезу
Нужны лабораторные эксперименты
Первым шагом могут стать эксперименты с марсианскими аналогами солей в условиях, воспроизводящих температуру, давление и влажность поверхности Марса.
Необходимо проверить, действительно ли циклическое охлаждение и нагревание способны создавать микротрещины нужного размера и как быстро они открываются и закрываются.
Отдельно нужно измерить, сколько воды способна поглощать конкретная соль при соответствующей влажности и какая часть этой воды остается жидкой после нагревания.
Не менее важно установить, насколько быстро вода выходит из внутренней трещины после ее частичного закрытия. Именно этот параметр определяет, является ли предложенный механизм просто кратковременным физическим эффектом или действительно способен создавать длительные микросреды.
Необходимы более точные данные о минералах Марса
Марсианские соли могут иметь сложный состав, а реальные минералы не обязательно соответствуют чистым лабораторным образцам.
На свойства кристаллов влияют примеси, пористость, дефекты структуры, размер зерен и предыдущая история воздействия воды и температуры.
Поэтому дальнейшие исследования должны учитывать реальные минеральные смеси, характерные для Марса, а не только отдельные чистые соединения.
Авторы также отмечают нехватку надежных данных о тепловом расширении некоторых солей при условиях, характерных для поверхности Марса. Без таких данных трудно количественно оценить, насколько широко предложенный механизм может работать.
Это не означает, что на Марсе уже нашли новое место для жизни
Главный вывод исследования значительно осторожнее сенсационной формулировки о «марсианских оазисах».
Никаких микроорганизмов внутри марсианских соляных кристаллов пока не обнаружено. Не было обнаружено и подтвержденной современной жидкой воды в таких микротрещинах.
Исследование предлагает физически возможный механизм, который может позволить гигроскопичным солям временно удерживать микроскопические количества рассола внутри кристаллических структур. Авторы подчеркивают, что это концептуальная оценка осуществимости механизма и гипотеза о потенциальной микросреде на современном Марсе.
Кроме того, даже если жидкость действительно образуется и сохраняется в течение части дня, ее химические свойства могут оказаться несовместимыми с жизнью. Температура, активность воды, концентрация солей, радиация и доступность энергии должны рассматриваться одновременно.
Поэтому правильнее говорить не о найденной марсианской среде обитания, а о новом варианте того, где теоретически могут существовать кратковременные микросреды с более благоприятным сочетанием условий.
Почему эта идея важна для поиска жизни на Марсе
Поиск жизни на Марсе долгое время был сосредоточен прежде всего на свидетельствах древней воды. Это связано с тем, что современная поверхность планеты значительно суше и холоднее, чем в периоды ее далекого прошлого.
Предложенный механизм переносит внимание на другой масштаб — от рек, озер и подземных резервуаров к микроскопическим структурам минералов.
На поверхности, которая в целом остается сухой и неблагоприятной, отдельный кристалл потенциально может вести себя иначе. Его химический состав позволяет извлекать влагу из атмосферы, температурный цикл изменяет структуру, а микротрещины могут временно удерживать образовавшийся раствор.
Если такие процессы действительно происходят, поверхность Марса может быть неоднородной с точки зрения микросреды гораздо сильнее, чем следует из обычных измерений температуры и влажности. Большая часть территории останется экстремально сухой, но внутри отдельных минералов могут периодически возникать очень небольшие и недолговечные участки с жидкой фазой.
Это не решает проблему существования жизни на Марсе, но расширяет перечень мест, которые имеет смысл изучать при поиске возможных биологических следов.
Соляные кристаллы могут оказаться важными объектами будущих исследований
Современный Марс не выглядит планетой с устойчивой поверхностной водой. Однако атмосфера содержит водяной пар, а на поверхности присутствуют соли, способные связывать влагу. Новая модель показывает, что сочетание этих двух факторов с сильными суточными перепадами температуры может создавать необычный механизм удержания микроскопического количества рассола.
Ночью соль может получать влагу из атмосферы, а температурное сжатие способно способствовать раскрытию микротрещин. После восхода Солнца нагревание вызывает расширение материала, и трещины могут частично закрываться, ограничивая потерю воды. В результате жидкость потенциально сохраняется внутри минерала дольше, чем на открытой поверхности.
Особенно интересен тот факт, что подобная микросреда теоретически сочетает сразу несколько преимуществ: наличие временной жидкой фазы, более высокую дневную температуру и частичную защиту от ультрафиолета. Земные организмы уже демонстрируют способность использовать соляные минералы как укрытие и источник атмосферной влаги, поэтому сама концепция имеет биологический аналог.
Но между возможностью и доказательством остается большая дистанция. Необходимо установить, насколько хорошо закрываются реальные микротрещины, как долго сохраняется рассол, каков его химический состав и может ли он иметь достаточную активность воды для земного типа биологии. Необходимо также учитывать космическое излучение и другие ограничения марсианской среды.
Пока соляные микротрещины следует рассматривать как гипотетические кратковременные микросреды, которые заслуживают дальнейшего изучения. Если будущие эксперименты и наблюдения подтвердят предложенный механизм, соляные отложения могут стать еще одним классом объектов, которые следует тщательно исследовать при поиске современных следов воды и потенциальной микробной жизни на Красной планете.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
