PopularEditorialNew
BestОбсуждаемое

Экзопланета Земля

Команда исследователей имитирует сбор образцов с поверхности Марса. Обучение на Земле (в данном случае-это Гавайи, где некоторые особенности ландшафта сродни целым регионам Красной планеты) позволит в будущем достичь своей цели и на других мирах.
NASA

В 2017 году NASA отметило 20-летие непрерывного исследования Марса — самый продолжительный сеанс наблюдения за другой планетой. Но в этом утверждении есть ключевая фраза, которую легко не заметить: другая планета. Даже когда учёные-планетологи стремятся понять другие планеты, вращающиеся вокруг нашего солнца, стоит помнить, что у нас под рукой (точнее под нашими ногами) есть идеальный научный испытательный стенд.

Как самая знакомая нам планета — и, возможно, самая странная — Земля даёт нам представление не только о тех силах, которые сформировали нашу солнечную систему, но раскрывает тайну формирования и развития скалистых планет? Изучение Земли позволит нам начать ходить, прежде чем мы побежим: тестировать методы и технологии в знакомой обстановке, прежде чем отправиться в другие миры.

Но чем больше мы узнаём о ней, тем больше замечаем, что наша планета-одно из самых странных мест, с которыми мы когда-либо сталкивались, уникально сформированное и навсегда изменённое формами жизни, которые оно поддерживает.

Экипаж «Аполлона-17» сделал этот снимок 7 декабря 1972 года.
NASA

Сравнительная планетология

Все планеты нашей солнечной системы образовались вокруг зарождающегося Солнца из одних и тех же компонентов:газа и пыли. Внутренние планеты подобрались поближе к нашей звезде, туда где температура была выше, что означало, что летучие вещества — элементы, которые превращаются в газ при низких температурах, — в основном просто испарялись в пространство. В результате планеты этой группы можно охарактеризовать как в основном скалистые, с атмосферой и присутствием на поверхности воды, которая высвободилась в результате геологических процессов или была принесена другими космическими объектами (астероиды, кометы).

Хотя их размеры, состав и расстояния от Солнца варьируются, природу процессов, которые сформировали Меркурий, Венеру, Землю и Марс, можно разгадать исследовав образцы на их поверхности. “Одна и та же теория применима ко всем планетам”, — говорит Ребекка Гент, старший научный сотрудник Института планетологии, чья текущая работа сосредоточена на геологии Земли, Луны и Марса.

Все планеты земной группы, по её словам, подвержены проявлению гравитационных эффектов, таких как образование кратеров, отложений и оползней; внутренних процессов, таких как вулканизм; и процессов, вызванных присутствием воды на поверхности или под ней. Собранные вместе, “сравнительные исследования планет могут рассказать нам гораздо больше о лежащих в их основе процессах, чем мы можем узнать, изучая одну планету”, — говорит Гент.

Парк воздушных обсерваторий NASA включает в себя самолёт DC-8 (на верхнем изображении), модифицированный для перевозки различных приборов. Агентство также эксплуатирует ER-2 (ниже) — модифицированный самолёт-разведчик U2, способный достигать высот до 70 000 футов (21 000 м).
NASA/Jim Ross

То есть по сути, вместо того, чтобы начинать исследования нового мира с нуля, учёные могут применить свои знания о происходящих процессах скажем, на Земле, чтобы в дальнейшем экстраполировать их. Это и называется сравнительной планетологией, и это лишь первый шаг в исследовании Солнечной системы.

Мы можем найти земной аналог происходящего процесса, скажем на Титане или Марсе, и применить полученные данные на месте”, — говорит Мэтью Чойнацки, научный сотрудник Института планетологии и участник эксперимента по созданию изображений с высоким разрешением, или HiRISE, на аппарате Mars Reconnaissance Orbiter.

Бывает и так что определённый процесс не проявляет активность, но оставил признаки своего присутствия, продолжает Гент. Основываясь на том, как присутствие воды со временем изменило ландшафт Земли, учёные обнаружили свидетельства присутствия воды на поверхности Марса в далёком прошлом.

NASA/Carla Thomas

Одним из таких мест является дельта реки, сохранившаяся внутри кратера Jezero, где в феврале прошлого года совершил посадку марсоход Perseverance. Джон Мастард из Университета Брауна возглавляет научную группу по стратегическому развитию миссии Марс 2020 и является одним из лучших учёных-планетологов, изучающих эту планету. По словам исследователя одной из интересных особенностей кратера является присутствие магнезита, образование которого предполагает присутствие воды в этом регионе. Кроме того, “Некоторые месторождения магнезита на Земле тесно связаны с проявлениями биологических процессов”, — говорит Мастард, что делает Jezero очень интересным местом для поиска следов древней жизни-одной из чётырех основных научных целей марсохода.

Интересно что предшественник Perseverance, Curiosity, показал исследователям, что кратер Гейл, древнее дно марсианского озера, когда-то испытывал условия, схожие с обстановкой в современной Исландии. В статье, опубликованной 18 января в журнале JGR Planets, исследователи сравнили грунт, собранный из различных мест на Земле, с данными, полученные марсоходом. “Земля предоставила нам отличную лабораторию для этого исследования”,-написала в своём пресс-релизе соавтор Кирстен Зибах из Университета Райса. “Разнообразие климатических условий на Земле позволил нам откалибровать наши приборы для измерения температуры древнего Марса”.

Атмосфера

Геология-не единственная особенность планет, которую исследователи готовы сравнивать. На Земле прогнозирование погоды и моделирование климата стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. За последние несколько десятилетий метеорологи разработали сложные модели, основанные на новейших наблюдениях за тем, чтобы понять как же работает наша атмосфера.

Аппарат DSCOVR наблюдает за прохождением солнечного затмения 21 августа 2017 года над Северной Америкой. DSCOVR, находящийся на гало-орбите возле L1, делает снимки Земли каждые два часа, предоставляя исследователям богатый набор данных, который невозможно получить с низкой околоземной орбиты.
NASA EPIC Team

Атмосфера Земли, безусловно, имеет совершенно иной состав, чем аналогичная среда её ближайших соседей. “Но это не мешает использовать климатические модели, которые были разработаны или созданы для Земли, для изучения других планет:Марса, газовых гигантов и экзопланет”, — говорит Ричард Экман, руководитель программы NASA по моделированию и анализу атмосферы.

Экман также является представителем команды исследователей атмосферы Земли в межотраслевой научной программе по изучению экзопланет. Эта группа, по его словам, стремится лучше понять экзопланеты, используя как наблюдения за нашей планетой так и, по мере развития технологий, наблюдения планет вокруг других звёзд. “Мы можем протестировать существующие модели, но очевидно что например для газовых гигантов, их необходимо адаптировать. В тоже самое время для таких планет как Марс и землеподобных экзопланет количество модификаций можно свести к минимуму”.

Так близко, но так далеко

Несмотря на преимущества использования Земли в качестве лаборатории, сопоставление может потерпеть и неудачу. “Для Венеры, Земли и Марса характерна серьёзная разница в температуре, атмосферном давлении и составе атмосферы, и это создаёт проблемы не только для работы в этих средах, но и для сравнения различных геологических процессов, которые там происходят”, — говорит Чойнацкий.

Планеты земной группы Солнечной системы образовались вблизи нашей звезды примерно из тех же материалов. Сегодняшние различия возникают из-за незначительно отличающихся начальных условий, хотя общее сравнение всё ещё можно провести.
Astronomy: Roen Kelly

Например, на сегодняшний день на Марсе доминирует круговорот углекислого газа, в то время как Земля поддерживает круговорот воды. Но поскольку вода и углекислый газ ведут себя по разному — особенно в марсианских и земных условиях, — эти два цикла похожи, но не сопоставимы напрямую.

Аналогичным образом, в то время как марсианские ветра формируют ландшафт так же, как и земные, атмосфера Марса намного тоньше, и его ветра намного слабее. “Скажем миграция песчаных дюн на Марсе и например в Египте — в первом случае придётся подождать лет десять, чтобы увидеть те изменения, которые вы могли бы заметить в африканских пустынях происходящих буквально за месяц”, — говорит Чойнакки.

Когда мы начинаем заниматься сравнительной планетологией, вы думаете: Давайте изучим эти планеты земной группы. Все они должны следовать одному и тому же [эволюционному] пути. Но они этого не делают«, — говорит Мастард. “Всему виной элемент случайности. Земля фантастическое и удивительное место, мы знаем (или делаем вид что знаем), как всё здесь работает, но мы не можем быть настолько наивными, чтобы думать, что каждая планета работает по тому же принципу”.

NASA’S EARTH- OBSERVING FLEET

Наука о Земле

Отдел науки о Земле NASA стремится понять нашу планету как уникальную окружающую среду. “Изучение Земли из космоса всегда было важной частью работы нашего агентства”, — говорит Хэнк Марголис, руководитель программы по исследованию земной экологии. “NASA и другие космические агентства располагают большим количеством спутников, которые ведут наблюдения за поверхностью Земли и её атмосферой”.

Ежегодно из бюджета американского агентства выделяется около 1.9 миллиарда долларов для продолжения работ по изучению Земли — эта сумма сопоставима с затратами отдела астрофизики агентства, который изучает большую Вселенную в целом. По состоянию на начало 2021 года NASA осуществляет около 30 космических миссий по наблюдению за Землёй, включая совместные миссии с другими агентствами.

И в распоряжении учёных есть не только спутники. Воздушные лаборатории обеспечивают исследования, которые трудно или невозможно выполнить с низкой околоземной орбиты, объясняет Экман. Эти миссии нацелены на изучение вопросов в различных областях, начиная от качества воздуха и образования облаков и заканчивая количеством льда, кораллов или растительности. Кроме того воздушные лаборатории — это эффективный способ тестирования технологий, которые в конечном счёте будут использоваться в космосе — на борту спутников, находящихся на околоземной орбите, или космического корабля, предназначенного для исследования других миров.

Десятилетия наблюдений показали, что в прошлом поверхность Марса была намного разнообразнее. Район посадки марсохода Perseverance в кратере Jezero (вверху) демонстрирует характерные черты древней дельты реки. Для сравнения, ниже приведена дельта Миссисипи, сфотографированная спутником Landsat 7 в 2001 году.
ЕКА/DLR/FU

Камеры и другие пассивные датчики регистрируют количество энергии, такой как отраженный солнечный свет, поступающий с поверхности планеты. Для Земли, говорит Марголис, эта информация может быть связана с “биофизическими свойствами поверхности земли, такими как количество листвы, поглощение излучения кронами деревьев, типы и изменения почвенного покрова, площадь снежного покрова”.

Активные датчики посылают сигналы, такие как радиоволны (радар) или лазерный свет (лидар), которые отражаются от поверхности (земли и воды), и возвращаются к космическому аппарату. По изменению полученного сигнала учёные в силах определить и изменения различных свойств изучаемой поверхности. Самое последнее пополнение к флоту “наблюдателей” за Землёй — Sentinel-6 (назван в честь доктора Майкла Фрейлиха), использует радар для измерения уровня моря более чем в 90-х процентах океанов Земли с точностью до доли дюйма. Лидар позволяет исследователям визуализировать вертикальную структуру растительности, в то время как радар может характеризовать растительность даже сквозь облачный покров. Изучение всех этих аспектов позволяет исследователям понять, как развивается наша планета, и предсказать изменения в будущем.

Уникальная перспектива

Естественно, что большинство спутников наблюдения за Землёй вращаются вокруг Земли, причём многие из них находятся на геостационарных орбитах, которые удерживают их над одним регионом планеты. Но одна миссия отличается: запущенная в 2015 году Климатическая обсерватория глубокого космоса (DSCOVR) была первоначально предложена в конце 90-х годов тогдашним вице-президентом Элом Гором. Но разработка миссии была отложена на десятилетия, пока администрация Обамы не возродила этот проект в качестве миссии для наблюдения за Солнцем и Землёй, говорит Экман.

В настоящее время управляемый NASA, ВВС США и Национальным управлением океанических и атмосферных исследований, DSCOVR расположен примерно в 1 миллионе миль (1,5 миллиона километров) от Земли, в точке Лагранжа, где гравитационные влияния нашей планеты и нашей звезды компенсируют друг друга. С этой точки обзора, называемой L1, миссия изучает солнечный ветер в режиме реального времени и каждые два часа на 10 различных каналах делает снимки нашей планеты (эти изображения ежедневно доступны для общественности по адресу https://epic.gsfc.nasa.gov/). 

Если бы у спутников были личности, DSCOVR был бы маленьким драчливым бойцом: избитым, окровавленным, но всегда возвращающимся на ринг, чтобы ещё немного подраться. Этот маленький спутник размером с холодильник в общежитии колледжа, был запущен в феврале 2015 года, спустя 16 лет после того, как он был впервые придуман во сне. Это случилось в феврале 1998 года, и вице-президенту Элу Гору в ту ночь приснился сон…

Маленький спутник, который смог

И эти снимки гораздо больше, чем просто красивые картинки”, — говорит Экман о вкладе DSCOVR в исследовании Земли. “Удивительно, но с расстояния в миллион километров мы можем измерять количество озона, различных аэрозолей, заметить облака и капли серной кислоты оставшейся от извержения вулкана”. А благодаря глобальным снимкам можно рассмотреть некоторые аспекты жизнедеятельности такие как количество присутствующей биомассы. Кроме того, снимки DSCOVR показывают суточные изменения, которые невозможно наблюдать с низкой околоземной орбиты. “DSCOVR доказал, что является высокопроизводительным научным инструментом”,-говорит Экман.

Самая странная планета?

Длительная кампания по наблюдению за Землёй напомнила исследователям одну несомненную вещь:наша планета причудлива и уникальна, и так не похожа ни на один другой встреченный нами мир. Земля-единственная планета с таким обилием жидкой воды и единственный известный нам мир с активной тектоникой плит. Тектоническая активность ответственна за землетрясения, извержения вулканов, а также выброс летучих веществ из недр Земли, которые помогли создать — а теперь и поддерживать — нашу атмосферу.

А ещё у Земли есть Луна. “Без катастрофического воздействия, в результате которого и образовался наш спутник, в самом начале формировании Солнечной системы Земля вообще могла оказаться совершенно иным миром”,-говорит Мастард. Это воздействие и спутник, который оно сформировало, повлияли на всё, начиная от силы приливов Земли и заканчивая стабильностью наклона нашей планеты. Без Луны наши приливы и отливы зависели бы исключительно от Солнца — и, учитывая огромное расстояние до нашего светила, были бы намного слабее. Это привело бы к совершенно другим ландшафтам. А без стабилизирующего влияния Луны на вращения нашей планеты непредсказуемым был бы сам климат нашей планеты.

Фитопланктон-это микроскопические растительноподобные организмы, играющие макроскопическую роль:в процессе фотосинтеза они превращают углекислый газ в кислород . На этом снимке, сделанном спутником NASA Terra, показаны Фолклендские острова и побережье Аргентины. Красочные завихрения у берега слева внизу сигнализируют о массовом цветении фитопланктона, размеры которого превышают 62 мили (100 км) в поперечнике.
Lauren Dauphin, using Landsat data from the U.S. Geological Survey and using MODIS data from NASA EOSDIS LANCE and GIBS/Worldview

Возможно, отчасти из-за проявления всех этих факторов Земля до сих пор является единственной известной нам планетой, на которой обитает жизнь. И эта жизнь оставила свой отпечаток на нашем мире. “В течение известных нам геологических периодов растительность Земли играла важную роль в эволюции атмосферы”, — говорит Марголис. Фактически, “растительность в значительной степени отвечает за текущий уровень кислорода в атмосфере: 20 процентов”.

Это сейчас атмосфера богата азотом и кислородом. В начале же своего формирования атмосфера представляла собой смесь метана и углекислого газа. Но фотосинтез, процесс, посредством которого растения преобразуют солнечный свет и углекислый газ в энергию, высвобождает кислород в качестве побочного продукта.

Ещё одна любопытная особенность нашей планеты: Земля содержит огромное количество полезных ископаемых.

Без живых организмов многие осадочные породы не образовались бы вовсе. Минералог Роберт Хейзен, сравнивший разнообразие минералов на Луне (150 видов), Марсе (500) и нашей планете (более 5000), сделал вывод, что появление тысяч земных минералов прямо или косвенно связано с деятельностью ее биосферы. Осадочные породы накапливались на дне водоемов. Опускаясь на глубину, за миллионы и сотни миллионов лет останки организмов образовали мощные отложения, которые оставалось выдавить на поверхность в виде горных хребтов. Это происходит за счет перемещения и столкновения огромных тектонических плит. Но и сама тектоника не была бы возможной без разделения горных пород на своего рода «темную» и «светлую материю».

Эти существа возводят горы и насыщают породу минералами: миллиарды трудяг

Признаки заселения территории, построенные человеком дамбы и каналы, а также глобальное повышение уровня моря-всё это запечатлено на снимках бухты Баратария в Луизиане, которое проявляется 31 августа 1985 года (выше) и 2 октября 2020 года (ниже). В результате как природных, так и антропогенных изменений менее чем за 100 лет регион потерял целых 430 квадратных миль (1120 квадратных километров) земли.
Lauren Dauphin, using Landsat data from the U.S. Geological Survey

Но, возможно, самый яркий пример жизни, формирующей сушу, море и атмосферу Земли, гораздо более юн — и, по сути, эти изменения происходят и в настоящее время. “Я бы сказал, что люди являются одной из доминирующих сил перемен на планете”, — говорит Мастард. Большая часть его карьеры была посвящена наблюдению за тем, как меняется поверхность Земли в ответ как на проявлении природных, так и человеческих сил.

Мы уничтожаем или просто заменяем растительность. Мы истощаем или перенаправляем запасы воды. Мы заселяем и изменяем береговые линии. И мы производим или выделяем огромное количество газов, изменяющих атмосферу. К счастью, наука о Земле отличается от других планетарных наук одним последним, принципиально важным аспектом: наука о Земле-это наука, которая может быть использована в благих целях. Отслеживая изменения, которые претерпевает наша планета, мы можем принимать решения и предпринимать действия, которые уменьшают или изменяют наше влияние на ландшафт.

Те знания, что мы получаем благодаря нашим космическим исследованиям, могут иметь практическое применение — например, борьба с лесными пожарами, лесопользование, борьба со стихийными бедствиями, развитие сельского хозяйства, борьба с загрязнением воздуха, управление биоразнообразием и т.д.”, — говорит Марголис.

Земля и Венера : разделены при рождении

Венера и Земля поразительно похожи; и не редко Венеру часто называют планетой-сестрой Земли. На первый взгляд легко понять, почему: Земля всего в 1.1 раза шире и в 1.2 раза массивнее Венеры, и они состоят в основном из одного и того же материала.

И всё же эти двое выглядят совершенно по-разному. Эти расхождения можно представить как итог эксперимента по теме как небольшие начальные различия могут перерасти в дальнейшем в огромные, в результате чего одна планета станет пышным, наполненным водой раем, в то время как другая станет жаркой, токсичной пустошью. Но последние исследования могут рассказать нам, что оба мира начинали с одинакового количества воды. Итак, что же произошло? Это вопрос на миллион долларов.

Мы знаем, что Венера — это единственная планета для которой характерно ретроградное движение. Хотя её ядро всё ещё горячее, как и у Земли, на Венере отсутствует тектоника плит. Её угнетающе плотная атмосфера на 96 процентов состоит из углекислого газа, 4 процентов азота и менее 0,1 процента других газов. Земля имеет сравнительно легкую атмосферу, состоящую на 78 процентов из азота, 21 процента кислорода и 1 процента других газов.

Несмотря на эти различия, странная сестра Земли всё ещё может многое предложить. Венера не очень похожа на современную Землю, но учёные считают, что вскоре после своего образования они были гораздо более похожи, что потенциально делает Венеру хорошим аналогом более молодой Земли.

Венера — единственная планета, которая может рассказать нам как о ранней Земле, так и о зарождении тектоники плит и континентов-двух процессах, которые глубоко повлияли на жизнь на Земле”, — говорит Сюзанна Смрекар, главный исследователь миссии VERITAS.

На Земле тектоника плит является фундаментальным процессом, который связывает ядро (внутренний тепловой двигатель планеты) с геологией поверхности и ответственен за выделение летучих веществ из недр нашей планеты в атмосферу”, — говорит Смрекар. “ Этот процесс начался миллиарды лет назад, оставив лишь смутные намёки на то, как он зарождался. Существует много моделей, но так мало данных. Отправившись на Венеру … у нас есть шанс увидеть процессы, которые повлияли на рождение нашей родной планеты” — А. К.

За пределами Земли

Несмотря на всю свою странность, Земля-это планета, с которой мы лучше всего знакомы. И она служит нам неплохой отправной точкой, в тот самый момент когда всё человечество обращает свой взор в космос. NASA когда-то решило обучить своих астронавтов перед отправкой на Луну, отправив их на Гавайи или в Аризону. И по сей день исследователи создают имитационные марсианские лагеря в Юте и на Гавайях или отправляются в Антарктиду, чтобы проверить, насколько легко — или сложно — будет проводить геологические исследования с помощью марсоходов и в космических скафандрах. “Подобные исследования и испытания, безусловно, помогут проложить путь для новых исследований Луны и Марса”, — говорит Чойнакки.

И, как указывает Экман, в последние годы было идентифицировано несколько экзопланет, обладающих, по крайней мере, некоторыми характеристиками, подобными земным. Основываясь на нашем понимании Солнечной системы, все планеты земной группы в своей основе, вероятно, имеют, по крайней мере, схожую историю происхождения.

И, как говорит Мастард, “Формирование планет во многом случайный процесс. И мы должны быть благодарны Вселенной за ту цепочку случайностей, которые и привели к формированию Земли”.

Источник

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

18

Это пользовательский материал, написанный участником сообщества, который не входит в состав редакции или администрации. Поддерживая авторов оценками, вы помогаете нашему сообществу развиваться.

Войдите, чтобы видеть ещё 1 комментарий, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Невероятная Алиса Селезнёва
Вечность назад

Спасибо, очень интересный материал, и вправду, иногда нужно смотреть под ноги :)

Качественная Эллен Рипли
Вечность назад

Поглянувши на нашу планету з космосу, починаєш цінити цей затишний рай.

Начинающий Эрролович
Вечность назад

Цікава стаття. Наскільки все ж таки великим полем для досліджень є наша Сонячна система. Маленька придирка: пари фото краще було б розміщати поряд, щоб не гортати сторінку туди-сюди.

Показать скрытые комментарии

Загружаем комментарии...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Зарегистрируйтесь на сайте, чтобы не видеть рекламу, создавать и отслеживать темы, сохранять статьи в личные закладки и участвовать в обсуждениях
If you were unable to log in, try this link.