Стрекозы Титана или мир-танкер, пришвартованный к Сатурну

В новеллизации Алана Дина Фостера по сюжету «Чужих» звездолёт «Ностромо», на котором разворачиваются события первой части фильма — это, фактически, нефтеналивной танкер. По словам автора, к моменту описываемых событий все запасы углеводородов на Земле давно исчерпаны, а энергетика на основе сжигаемого топлива морально устарела. Но высокотехнологичная цивилизация абсолютно не в состоянии обойтись без пластика и полимеров, а значит – и без нефтепродуктов. Поэтому сегодня я решил расконсервировать давно занимавшую меня тему о самом богатом резервуаре углеводородов в Солнечной системы. Это Титан, крупнейший спутник Сатурна (диаметр – 5152 км, площадь поверхности – 83 млн кв. км. Для сравнения: диаметр Земли – 12 742 км, площадь Евразии – 54,8 млн кв. км).   

Титан – единственный в нашей системе спутник с плотной атмосферой, в которой наблюдаются погодные явления, а также единственный спутник с «реками» и «озёрами» на поверхности. Атмосфера Титана преимущественно метановая, а в состав его «гидрокарбоносферы» (выдумал сейчас этот термин – положим, это «углеводородный аналог гидросферы») входят самые разные углеводороды и углеродно-азотистые соединения.

Происхождение и компактная локализация всего этого запаса углеродистых соединений так далеко от Солнца вызывает немало вопросов как о формировании спутников, так и о происхождении нефти на Титане и на Земле. В течение XIX и большей части XX века существовали две прямо противоположные теории о происхождении нефти – биогенная и абиогенная.  В пользу абиогенной теории образования нефти высказывался, в частности, Д.И. Менделеев, указывавший, что месторождения нефти сконцентрированы у глубоких тектонических разломов. Он полагал, что этан, один самых лёгких углеводородов в составе нефти, образуется из залежей карбида железа под действием воды, высокого давления и высокой температуры:

2FeC + 3H₂O = Fe₂O₃ + C₂H₆.

Но в начале XX века В.И. Вернадский уверенно поддержал биогенную теорию, а И.М. Губкин даже детально её проработал и показал, как можно искусственно получить нефтеподобную смесь углеводородов. В настоящее время биогенная теория образования земной нефти остаётся господствующей (в силу оптических свойств и молекулярного состава нефти), но не вполне объясняет обнаружение нефти на всё больших глубинах – в частности, в Мексиканском заливе и у берегов Вьетнама.   

Более того, есть данные, что запасы углеводородов на поверхности Титана постепенно растут, так как жидкость поступает наверх из глубин спутника. Притом, что странные физико-химические свойства Титана интересовали ещё Карла Сагана в конце 1970-х, реальное изучение спутника начинается с 2004 года, когда его сфотографировал направленный к Сатурну аппарат «Кассини».  14 января 2005 года на Титан опустился зонд «Гюйгенс», доставленный туда миссией «Кассини».

Что открылось "Кассини"

«Кассини» сделал несколько карт Титана в инфракрасном диапазоне, поскольку в оптическом спектре метановая атмосфера Титана непроницаемая. Она состоит из смеси азота с углеводородами. В атмосфере Титана выпадают углеводородные осадки. Таким образом, спутник был картирован при помощи радара, и эти карты охватили примерно 20 % его поверхности. На этих картах было обнаружено два географических макрорегиона: озёрный север

и экваториальные дюны

Температура на поверхности Титана составляет примерно −180 °C, поэтому там стабильно пребывают в жидком состоянии многие вещества, являющиеся на Земле газами или летучими жидкостями. В 2013-2017 годах по результатам обработки данных «Кассини» установлено, что глубина многих углеводородоёмов Титана превышает 100 м. Они образованы в основном жидким метаном, а также этаном, пропаном (чем ближе к полюсам, тем выше концентрация пропана), бутаном, бутилом и многими другими жидкостями, в том числе, азотом и аргоном.

Вот примерный состав атмосферы, озёр, дюн и криовулканов Титана:

Дюны на экваторе Титана – песчаные, пропитанные различными углеводородами. Они могут напоминать битуминозные пески, присутствующие, например, в канадской провинции Альберта. Южная полярная область Титана, по-видимому, в рельефном отношении похожа на северную, но озёра там мельче как по глубине, так и по площади (в ходе одного облёта «Кассини» зафиксировал в южной полярной области два озера). Радарные замеры показывают, что глубина многих озёр и морей Титана превышает 100 метров. Разведанные в настоящий момент запасы углеводородов на Земле достигают 130 миллиардов тонн, и на Титане могут насчитываться десятки акваторий, запасы каждой из которых в отдельности превышают эту цифру. Запасы твёрдых углеводородов, сосредоточенные в открытых «Кассини» дюнах примерно в триста раз превышают запасы угля на Земле.

Углеводородные консервы

Титан обладает плотной атмосферой, более чем на 98% состоящей из азота и примерно на 1,6% из метана. Именно метан придаёт атмосфере Титана мутный рыжеватый цвет. Давление на поверхности Титана примерно на 60% больше, чем атмосферное давление на Земле; примерно такое давление мы испытывали бы, стоя на дне плавательного бассейна. Кислорода же на Титане практически нет, как в свободном виде, так и в составе жидких и газообразных углеродных соединений, поэтому там не происходит никаких окислительных химических реакций.

Однако в атмосфере Титана молекулы азота (и в особенности метана) могут расщепляться под воздействием солнечных лучей. Поэтому даже имеющаяся стабильная концентрация метана была бы невозможна, если бы его запасы не пополнялись из водоемов или глубин спутника. Таким образом, Титан является единственным объектом в Солнечной системе, где происходит полноценный круговорот метана в природе. По-видимому, эта цепочка реакций выглядит так:

Рассмотрим подробнее химию азота и углерода, представленную на этой иллюстрации. Метан является парниковым газом, поэтому, если повысить в атмосфере его концентрацию с имеющихся 1,6 %, температуру на спутнике можно существенно поднять. Вероятным источником литосферного метана на Титане могут быть криовулканы, достоверно обнаруженные в его северной полярной области. Криовулкан извергает жидкий метан, жидкий аммиак и, возможно, водяной лёд – таким образом, эта смесь не дымит, а течёт. При конденсации метан должен образовывать более сложные углеводороды, а именно этан C₂H₆, пропан C₃H₈ и ацетилен C₂H₂. В реальности Титан действительно богат этаном и пропаном, но ацетилен на нём почти отсутствует, что даёт почву экзотическим гипотезам об азотно-углеродной жизни на Титане (консументах ацетилена). Поэтому NASA всерьёз планирует новые беспилотные экспедиции на Титан, обусловленные не столько его нефтеносными, сколько экзобиологическими перспективами. Также остановимся на лабораторном воспроизведении условий Титана и на том, какую экзотическую органику удалось получить в ходе этой работы. 

Ландшафт Титана

Углеводородоёмы Титана напоминают земные настолько сильно, что это сходство заставляет задуматься о конвергентной эволюции. Озёра и реки Титана должны иметь дождевое происхождение, так как метан и этан образуют облака и выпадают в виде осадков и конденсирующейся дымки. При этом внутренней энергии спутника не хватает на активные погодные явления. В 2017 году геофизики под руководством Сирила Гримы из Техасского университета в Остине оценили высоту волн в морях Кракена, Лигейи и Пунги на Титане и пришли к выводу, что высота волн там не превышает 6-10 мм, а длина составляет от 45 до 115 метров. Обширная экваториальная область Ксанаду покрыта дюнами или барханами, медленно перемещающимися под действием ветра. Также там могут находиться бессточные озёра с меняющейся береговой линией, отчасти напоминающие Каспий. Кроме того, предполагается, что под поверхностью Титана могут находиться целые моря из воды и жидкого азота – эта гипотеза позволяет объяснить выраженную изрезанность озёрных берегов.

Время от времени уровень метана в атмосфере Титана может заметно возрастать (например, из-за активизации криовулканов). В таком случае включается парниковый эффект, из-за которого подповерхностный азот разогревается и быстро переходит из жидкого в газообразное состояние. Проникая в трещины коры, он быстро расширяется, вызывая явления, аналогичные гидроразрыву пластов, после чего образовавшаяся полость быстро заполняется жидким метаном и этаном.  Такая гипотеза была выдвинута в 2019 году группой под руководством Джузеппе Митри из университета д’Аннунцио в Италии. Учёные анализировали данные последнего близкого облёта «Кассини» вокруг Титана, состоявшегося в 2019 году, и не обнаружили на спутнике карстовых процессов, которые также могли бы объяснить такую форму береговой линии.    

Суша Титана в целом может быть охарактеризована как равнинная песчаная пустыня, в которой встречаются группы «скал», образованных, вероятно, глыбами водяного льда, покрытыми слоем углеводородов.

Все эти данные остаются ориентировочными, так как получены всего двумя аппаратами – «Кассини» и «Гюйгенсом». Зонд «Гюйгенс» приземлился в северной полярной области Титана в конце 2004 года. Он активно передавал информацию на «Кассини» в течение первых 4 часов работы, в том числе, в процессе спуска, а затем оказался на берегу метанового моря, где функционировал еще примерно 22 дня.

Для продолжения исследований на спутник можно было бы запустить «титаноход», но, учитывая инертность и плотность атмосферы, а также отсутствие сильного ветра, NASA планирует отправить на Титан летающий робот Dragonfly, который должен быть снаряжен в 2026 году и достигнет Титана в 2034 году. Такая экспедиция представляется перспективной ещё и благодаря успешности роботизированного вертолёта «Индженьюити», отправленного на Марс в 2021 году.

Dragonfly

Поскольку рельеф Титана пересечённый, сложный и существенно отличается от региона к региону, стационарный спускаемый аппарат, подобный «Гюйгенсу», не может дать сколь-либо полного представления о географии, геологии и метеорологии спутника. Однако Титан отлично подходит для изучения с квадрокоптера. В настоящее время БПЛА активно развиваются и могут нести всё больше сенсорной и вычислительной аппаратуры при всё меньшем весе самой       машины. Гравитация на Титане более чем вдвое уступает земной, но атмосфера спутника плотная и спокойная. На Титане, по-видимому, нет сильных пылевых бурь, поскольку нет ветра, а битуминозные пески на поверхности сравнительно вязкие. Кроме того, электроника БПЛА должна испытывать сравнительно слабое воздействие солнечной радиации и солнечного ветра, так как до Солнца далеко, а тот солнечный ветер, что добирается до Титана, во многом экранируется мощным магнитным полем Сатурна. Именно поэтому проект квадрокоптера Dragonfy представляется многообещающим. Эта экспедиция прорабатывается Лабораторией прикладной физики при университете Джонса Хопкинса, штат Мэриленд.

Аппарат планируется оснастить 8 винтами, по одному на верхней и нижней поверхности каждой из четырёх лап. В качестве источника энергии для такого коптера лучше всего подойдёт компактный ядерный реактор (солнечные батареи на Титане использовать нельзя – там стоят сумерки, примерно, как через 10 минут после захода Солнца на Земле, а само Солнце слишком далеко). Для Dragonfly можно было бы составить карту посадочных точек. Предполагается, что в каждой из них он будет проводить 16 дней, выполняя примерно следующий набор работ:

1. Фотографирование местности в цвете

2. Изучение, как минимум, трёх видов ландшафта: 1) берегов озёр, 2) дюн 3) кромок кратеров – в частности, чтобы выявить среди них ударные и найти остатки метеоритов

3. Поиск водяного льда и криовулканов

4. Попытки выявить и измерить сейсмическую активность

5. Изучение химического состава атмосферы

6. Измерение температуры атмосферы и грунта, попытки выяснить, есть ли на Титане некоторая сезонность    

Предполагается, что аппарат обогнёт Титан в экваториальных широтах, так как в таком случае сможет картировать более обширную территорию и изучить дюны; кроме того, из-за магнитного воздействия Сатурна Dragonfly было бы сложнее транслировать данные, если бы он работал в приполярных областях. Вес аппарата составит около 300 кг, но, учитывая слабое тяготение Титана и характеристики атмосферы, на полётные задачи должно потребоваться примерно в 38 раз меньше энергии, чем на Земле.

Dragonfly, в отличие от марсоходов, не будет иметь манипуляторов. Вместо них на брюхе аппарата будет установлена нейтронная пушка, которая будет бомбардировать пучками нейтронов тот грунт, над которым летит аппарат. По рисунку гамма-лучей, которые будут выделяться в ответ, приборы позволят различать характеристики ландшафта – в частности, летим ли мы над залежами аммиачного льда или над дюнами с высоким содержанием углерода. На лапах Dragonfly будут установлены буры, которые позволят брать образцы грунта, всасывать их через пневматическую трубку и подавать в масс-спектрометр, который позволит сразу анализировать состав образцов.  

Азотосома и нежизнь

Титан неслучайно вызывает у астрономов такой высокий интерес, поскольку обладает достаточным химическим разнообразием и гомеостазом, чтобы можно было представить на нём зарождение экзотической примитивной жизни. Ещё в 2003 году при помощи спектрометрии удалось выявить в атмосфере Титана сравнительно сложную органику с двойными связями, в частности, бензол и циклопропенилиден (последний ещё в 1985 году обнаружен в облаках межзвёздного газа, но в Солнечной системе в естественных условиях пока зафиксирован только на Титане). По-видимому, сложная органика образуется в атмосфере Титана под действием космических лучей и солнечного ветра, и основой для неё могут быть не углеводы (HCO), а цианистые соединения (HCN). Так, в 2017 году в атмосфере Титана в количестве 2,8 частей на миллиард был обнаружен акрилонитрил (C₂H₃CN), молекула следующего состава:

Лабораторные эксперименты с акрилонитрилами в 2015 году позволили группе учёных из Корнельского университета под руководством Палетта Клэнси собрать мембрану, напоминающую клеточную, но выстланную по внешнему краю атомами азота. Мембрана была названа «азотосома», теоретически, внутри неё могла бы протекать углеродно-азотная биохимия. Тема альтернативной биохимии и потенциальной обитаемости Титана была отлично разобрана на Хабре ещё во времена Гиктаймс, в особенности порекомендую статью «Титан — колыбель жизни» от 23 августа 2016, первоначально размещённую автором @Gulenkov112 в песочнице. Ещё одна крутая статья из песочницы (правда, переводная, но со множеством иллюстраций и шикарным изображением азотосомы) была размещена 5 октября 2015 года пользователем @Oroszorszag; вот её оригинал. Правда, более поздние исследования заставляют умерить оптимизм – например, в 2019 году было доказано, что в естественной среде Титана самосборка азотосом из акрилонитрилов статистически невозможна. Но я всё-таки не стану рассуждать здесь о потенциальной обитаемости Титана, тем более, что эта тема постоянно пересматривается. Остановлюсь на том, что удивительный Титан ещё наверняка пригодится нашей цивилизации в самом утилитарном смысле – к нашей огромной удаче, он обладает не только немыслимыми запасами ценнейшего сырья для производства горючего и полимеров, но и (хрупким) гомеостазом, благодаря которому остаётся вполне достижимой среднесрочной целью нашей цивилизации. Тем более, в случае наличия воды на Титане его терраформирование представляется удивительно плодотворной задачей: спутник изобилует метаном, сильным парниковым газом, корректируя концентрацию которого, температуру атмосферы Титана наверняка можно значительно поднять. О гомеостазе как о важном факторе, располагающем к освоению небесных тел – также, надеюсь, ещё успеем с вами поговорить.