Чтение онлайн

Как и многие другие соединения, вода существует в трех состояниях (или фазах): твердом, жидком и газообразном, легко переходя из одного состояния в другое. Если оставить в комнате открытый сосуд с жидкой водой, то ее молекулы начнут отрываться от поверхности жидкости и улетучиваться, включаясь в состав воздуха комнаты в виде паров. Некоторые из этих молекул могут вновь попасть в сосуд, присоединившись к жидкости, однако в основном их перемещение происходит в одном направлении — в результате жидкость испаряется. Чтобы избежать испарения, сосуд можно закрыть, в этом случае пространство над жидкостью в сосуде вскоре насыщается парами, и тогда скорость конденсации пара станет равной скорости испарения с поверхности жидкости. С этого момента система в целом больше не меняется: в таком случае говорят, что она находится в равновесии. Давление водяного пара при равновесии (статическое давление) можно измерить, причем оно зависит от температуры: чем выше температура, тем выше давление. Например, при 25 °C давление паров в состоянии равновесия равняется 31,7 мбар, или примерно 0,03 атм. Это означает, что система стабильна при 25 °C до тех пор, пока давление паров воды в окружающей среде равняется 31,7 мбар. При более низком давлении пара вода испаряется, а при более высоком пар конденсируется, пока вновь не установится равновесие. При 100 °C статическое давление пара на уровне моря составляет 1013 мбар, 1 атм. При этом в жидкой фазе начинают образовываться пузыри в таком случае говорят, что вода кипит.

Теперь понизим температуру ниже точки замерзания, чтобы жидкая вода превратилась в лед. Так как лед испаряется в сухом воздухе, пары над ним также создают определенное давление. Скажем, при температуре -2 °C давление паров льда равно 1,0 мбар, при -10 °C оно составляет 2,6 мбар. В воздухе с более низким давлением водяного пара лед испаряется, или возгоняется. Если давление водяного пара выше, то пар конденсируется прямо в лед — именно такой процесс происходит при образовании инея в холодную ясную ночь. В обоих случаях осуществляется непосредственный переход пара в твердое состояние или, наоборот, без образования жидкой воды.

В рассмотренных примерах речь идет не более чем о двух фазах: пар и вода либо пар и лед. Увеличивая давление, можно вызвать таяние льда. приведя тем самым воду и лед в состояние равновесия при температурах ниже 0 С без газообразной фазы. Чтобы привести все три фазы в равновесие. необходимо установить температуру около 0 °C, когда равновесное давление паров воды и льда равно 6,1 мбар. Это состояние равновесия трех фаз называется тройной точкой. Для наших целей важно знать величину давления в тройной точке, поскольку это самое низкое давление, при котором может существовать чистая жидкая вода [16].

Все сказанное выше относится лишь к чистой воде, которая редко встречается в природе. Даже дождевая вода содержит растворенные атмосферные газы, а вода озер, рек и океанов — еще и растворенные соли. Наличие в воде растворенных веществ (или какого-то другого растворителя) приводит к уменьшению равновесного давления ее паров, а это в свою очередь влечет за собой понижение температуры точки замерзания и повышение температуры точки кипения. Насколько сильно проявляются эти эффекты, зависит от концентрации растворенных веществ. Концентрированные растворы могут существенно отличаться в этом отношении от чистой воды, а слабые растворы — лишь незначительно. Согласно закону Рауля, давление паров слабых растворов пропорционально доле молекул воды в растворе.

Приведем несколько примеров. Давление паров над раствором сахарозы, в котором на одну молекулу сахара приходится 99 молекул воды (16 %-й раствор по массе), почти точно составляет 99 % давления паров над чистой водой при той же температуре. Температура точки замерзания такого раствора равна — 1,10 °C. Морская вода представляет собой сложную смесь солей, равновесное давление паров составляет 99 % их давления над чистой водой при той же температуре, а замерзает морская вода при температуре -1,87 С. Из закона Рауля следует, что 98 % молекул в морской воде приходится на долю чистой воды. (Если речь идет об электролитах, как в данном случае, то ионы рассматриваются как молекулы.) Большое Соленое озеро, как и многие другие соленые озера, насыщено или почти насыщено хлоридом натрия (NaCl бытовая поваренная соль). Давление паров насыщенного раствора NaCl составляет 75 % от давления паров чистой воды, а его температура замерзания близка к -21 °C. Доля молекул воды в этом растворе составляет 82 % (при такой высокой концентрации солей закон Рауля выполняется лишь приближенно). Другая соль. хлорид кальция (CaCl 2), редко встречается в природе, но в одном из водоемов Антарктиды (о нем говорится далее в этой главе) она содержится в насыщающей концентрации. Температура точки замерзания насыщенного раствора хлорида кальция равна -51 С, а равновесное давление его паров при комнатной температуре составляет только 31 % от равновесного давления паров чистой воды.

Как видно из этих примеров, добавление к воде растворенных веществ стабилизирует жидкую фазу при более низких (по сравнению с чистой водой) значениях давления пара и температуры. До экспедиции "Викингов" предполагалось, что благодаря этому эффекту на поверхности Марса может существовать жидкая вода. Далее мы проанализируем это предположение наряду с некоторыми данными о биологической пригодности воды, содержащей высокие концентрации растворенных веществ.

Вода на Марсе

Открытия "Викингов"

Проблема воды на Марсе — ее количества, фазового состояния и распределения — была предметом интенсивного изучения как до полета "Викингов", так и в период их работы на Марсе. Даже Персивалю Ловеллу было известно, что эта планета представляет собой пустыню. Однако, насколько высока ее сухость, оставалось неясным вплоть до 1963 г., когда на основании спектрометрических исследований было установлено наличие паров воды в атмосфере Марса и оценено ее количество: примерно 14 мкм в пересчете на осадочную воду, что эквивалентно величине давления пара у поверхности планеты 0,5 мкбар (см. гл. 5). Более поздние наблюдения, проводившиеся как с Земли, так и с космических аппаратов до полетов "Викингов", подтвердили наличие в атмосфере паров воды в концентрации, соответствующей 50 мкм осадочной воды, что равносильно давлению примерно 2 мкбар. (Давление паров воды в земной атмосфере на экваторе в среднем составляет 28 мбар, или 28000 мкбар.) Как мы видели, чтобы предотвратить испарение чистой воды, необходимо давление пара не менее 6,1 мбар: поэтому с самого начала не вызывало сомнений, что жидкая вода, если она вообще существует на Марсе, даже при высокой концентрации растворенных веществ должна встречаться на поверхности крайне редко.

Исследования по программе "Викинг" значительно расширили наши знания о количестве и распространенности воды в атмосфере Марса. Соответствующие данные были получены для всего марсианского года, причем с несравненно более высоким пространственным разрешением, чем удавалось достигнуть прежде на основе наземных наблюдений; были, кроме того, исследованы области Марса, вообще недоступные для наблюдений с Земли. По измерениям. проведенным "Викингами", количество паров воды колебалось в зависимости от времени года и района в пределах О 120 мкм осадочной воды (что эквивалентно давлению у поверхности около 4,5 мкбар). Самое высокое содержание было обнаружено в атмосфере над границей северной ледяной шапки, в области 70–80 с.ш., в середине лета, когда эта полярная шапка уменьшалась до своего минимального размера. "Остатки" ее состояли из водяного льда; об этом свидетельствовали содержание паров воды в атмосфере над полярной шапкой, а также ее температура. Летом 1976 г., во время посадки "Викингов", она составляла -168 °C: это слишком высокая температура для полярной шапки, состоящей из замерзшей углекислоты.

По мере перемещения к югу от областей с максимальным содержанием паров воды датчики на космических аппаратах "Викинг" регистрировали все более низкую концентрацию паров в атмосфере. Как видно из рис. 11, содержание воды резко падало, достигая минимума в Южном полушарии. Полученные данные почти не оставляют сомнений в том, что в период лета в Северном полушарии основным источником воды на Марсе является северная полярная область.

Рис. 11. Распределение водяных паров в атмосфере Марса в зависимости от широты в период северного лета. Наблюдения проводились на 180° з.д. в 12.00 и 14.00 ч по марсианскому времени. (Заимствовано из работы [10]; © Американская ассоциация содействия развитию науки, 1976.)

С приближением осени и зимы содержание паров воды в атмосфере Северного полушария уменьшалось, тогда как на юге увеличивалось лишь незначительно. Во время летнего сезона 1977 г. в Южном полушарии содержание воды в южной атмосфере не достигало тех максимальных значений, которые были обнаружены в период северного лета в районе северной полярной шапки. Все лето температура южной полярной шапки оставалась близкой к точке замерзания диоксида углерода; следовательно, эта ледяная шапка не могла служить источником паров воды в атмосфере, даже если бы она и содержала воду, что вполне вероятно, хотя достоверно не установлено. Предполагается, что значительное различие между двумя полярными шапками, обнаруженное при анализе измерений, проведенных "Викингами", отчасти объясняется пыльными бурями, которые возникают только в Южном полушарии в период южного лета. Плотное облако пылевой взвеси, образовавшейся в атмосфере, препятствует нагреванию южной полярной шапки солнечным излучением.

В экваториальных широтах, где температура поверхности часто поднимается выше 0 °C (по этой причине в эпоху, предшествовавшую полету "Викингов", эти области казались особенно благоприятными для жизни), содержание паров воды в атмосфере на протяжении всего года не превышало 5-15 мкм осадочной воды. При таких условиях поверхность планеты должна быть чрезвычайно сухой. Действительно, К.Б. Фармер и П.Э. Доме на основании данных, полученных "Викингами", пришли к выводу, что вся область между 35 ю. ш. и 46 с. ш. представляет собой сухую зону, лишенную воды, которая, возможно, сконцентрировалась в полярных областях, играющих роль своего рода водяных ловушек. Вероятно, большие количества воды сохранились вокруг полярных областей под поверхностью в виде постоянных отложений замерзшего льда, или вечной мерзлоты. Вечная мерзлота выходит на поверхность у Северного полюса, образуя остаточную ледяную шапку — нечто вроде верхушки айсберга. Не исключено, что подобные отложения водяного льда имеются на поверхности и у Южного полюса, но это пока не доказано.