Помимо Земли в Солнечной системе существует лишь два тела с твердой поверхностью и достаточно мощной атмосферой. Это планета Венера и спутник Сатурна Титан. Венера вообще «двойник» Земли в смысле размеров и массы, и пока ученые не открыли ее чудовищный парниковый эффект, многие из них всерьез верили, что здесь может присутствовать развитая жизнь. Впрочем, когда выяснилось, что температура на поверхности планеты составляет 400−500°С, а давление – около 100 атмосфер, надежды пришлось оставить.
Будущее прошлое
Титан в некотором смысле противоположность. Это тоже крупное небесное тело (размером с Меркурий), давление на его поверхности составляет примерно полторы земные атмосферы. На Титане действует и полномасштабный гидрологический цикл – правда, основанный не на воде, а на метане. Этот простейший углеводород. Но и множество другой органики на Титане, кстати, присутствует в изобилии.
Правда, для жизни Титан холодноват: средняя температура его составляет около -180°С. Однако это дело поправимое: через несколько миллиардов лет, когда Солнце превратится в красный гигант, здесь потеплеет до -70…-60°С. И тогда, пожалуй, в этом инопланетном Верхоянске окажется жить веселее, чем на догорающей в атмосфере Солнца Земле. А Венера к тому моменту уже давно скроется в пучине атмосферы раздувшейся звезды.
Ко всему прочему, нынешняя атмосфера Титана по своему составу очень похожа на смесь газов, в которой 3−4 млрд лет назад зародилась примитивная жизнь, позднее до неузнаваемости изменившая как внешний облик планеты, так и ее воздушную оболочку. По этой причине Титан часто считают лабораторией, где можно воссоздать интригующий процесс возникновения жизни, если конечно забыть о холоде или подождать несколько миллиардов лет.
Некоторые горячие головы даже предполагают, что жизнь здесь уже может существовать, – в конце концов, под корой небесного тела гарантированно присутствует жидкий океан, а приливы со стороны Сатурна могут создать вполне комфортную температуру для появления каких-то живых существ. Возникла же она как-то на Земле. Может, как-то так же появилась и на Титане.
Титановый «озон»
Ученые под руководством Гу Сибиня и Ральфа Кайзера из Гавайского университета нашли еще одну черту, которая сближает Титан и Землю. У Титана есть аналог озонового слоя, который защищает земную жизнь от губительного ультрафиолетового излучения Солнца. Правда, титановая защита основана не на молекулах кислорода, а на полиацетиленах – обрамленных парой атомов водорода цепочках углеродных атомов, соединенных попеременно одинарными и тройными связями.
защита
Озоновый слой
Условное название части стратосферы, в которой происходит поглощение большинства ультрафиолетовых лучей, достигающих Земли. В реальной атмосфере озон распределен в широком диапазоне высот, а не локализован в виде какого-то «слоя». Жесткие кванты разбивают двухатомные молекулы кислорода, после чего каждый из атомов может соединиться с другой двухатомной молекулой, образовав трехатомный озон. Распадается с образованием радикалов.
В реакциях образования этих молекул как раз и поглощается ультрафиолет – ровно так же, как его перехватывают молекулы «обычного» кислорода O2, ненадолго распадаясь от переизбытка энергии и встраиваясь в другие молекулы кислорода в беспрестанном «озоновом круговороте». И даже границы спектра, который перехватывают кислород и ацетилен, похожи. Если для диссоциации O2 требуются фотоны с длиной волны λ меньше 240 нм, то начать цепь реакций полимеризации ацетилена могут кванты с λ<217 нм. Для ДНК земных организмов наиболее губителен ультрафиолет с длиной волны около 200 нм.
Ключевым шагом в этом процессе является синтез триацетилена – молекулы C6H2. Ацетилен C2H2 и диацетилен C4H2 могут образовываться и окольными путями. И как показывают данные космического аппарата Cassini, они действительно в изобилии присутствуют в атмосфере Титана. А вот для появления тримера диацетилен C4H2 должен прореагировать с этинил-радикалом ·C2H. Грубо говоря, это ацетилен, потерявший один из атомов водорода, обрамляющих пару соединенных тройной связью углеродных атомов; в атмосфере Титана его проще всего потерять именно благодаря поглощению ультрафиолетового фотона.
Без мыла
Однако пойдет ли процесс дальше или произойдет ровно обратная реакция с образованием того же ацетилена C2H2 и излучением энергичного фотона, понятно не было. Подробному и надежному моделированию такие реакции пока не доступны, а в земной природе не наблюдаются. Экспериментальный ответ на вопрос ученые дали в статье, опубликованной в последнем номере Proceedings of the National Academy of Sciences.
частицы
Изотопы
Атомы и атомные ядра, отличающиеся друг от друга лишь количеством нейтронов в атомном ядре, а значит его массой, но не зарядом. Как правило, лишь небольшая часть изотопов стабильна и встречается в природе. Поскольку химические свойства определяются поведением электронов атома, а последние почти не зависят от массы ядра, изотопы одного и того же элемента химически эквивалентны.
Чтобы выяснить, способна ли атмосфера Титана поддерживать подобие «озонового круговорота», гавайские химики и их коллеги из Калифорнии и с Тайваня провели опыты по столкновению двух пучков – молекул диацетилена и этинил-радикала. Состав и свойства продуктов этой реакции ученые определили с помощью масс-спектрометра, а для контроля эксперимента воспользовались стандартным трюком. Они заменили в этиниле атомы водорода-1 (Н) на атомы дейтерия (D) — водорода-2; химически два изотопа ничем не отличаются, а вот дополнительная масса «лишнего» нейтрона в ядре тут же проявляет себя в данных масс-спектрометрии.
Как показали Кайзер и его коллеги, реакции образования триацетилена в атмосфере Титана идти могут, а значит может работать и подобие «озонового цикла», способное защитить поверхность спутника Сатурна от жесткого солнечного излучения. В частности, ученые выяснили, что для запуска этих реакций сталкивающимся частицам не нужна какая-то дополнительная, пороговая энергия, а все промежуточные стадии процесса идут с выделением тепла. Это обстоятельство критически важно для холодной атмосферы Титана, в которой частицы движутся относительно медленно и потому не могут рассчитывать, что порог будет преодолен просто за счет взаимного теплового движения частиц.
Зримая защита
Как пишут авторы работы, полиацетилены – основа всей сложной химии верхней атмосферы Титана. В частности, именно эти молекулы могут быть ответственны за знаменитую буро-оранжевую дымку, которая скрывает поверхность спутника в видимом диапазоне. Состав этого тумана пока до конца не понятен и может напрямую включать как сами полиацетилены, так и их более сложные производные. Если это так, то защиту от ультрафиолета на Титане в отличие от земного озонового слоя можно увидеть своими глазами.
Впрочем, подсчитать, насколько эффективна эта защита, ученые даже не пытались. Чтобы оценить темпы реакции в масштабе целого спутника, пока слишком мало данных.
Да и вообще, мало кто из ученых думает, что эта защита на Титане кому-то действительно нужна. Пока там слишком холодно, а самого ультрафиолета от Солнца до титановой атмосферы долетает в 100 раз меньше, чем до земной воздушной оболочки.
