Вода в космосе — что о ней известно

С Венерой все сложнее. Сегодня на ее поверхности нет жидкой воды, потому что там слишком жарко (около 460°C) и давление в 90 раз выше земного. В атмосфере Венеры недавно обнаружили признаки воды, но не в привычном виде: облака Венеры содержат до 60 % воды, но она связана в гидратированных соединениях, например, сульфатах.
Некоторые исследования предполагали, что миллиарды лет назад на Венере могли быть океаны. Однако более свежие работы, опубликованные в 2024 году, утверждают, что Венера, скорее всего, была «паровым миром» с самого начала — вода там никогда не конденсировалась в жидкие океаны из-за парникового эффекта. Вопрос остается открытым, окончательного ответа пока нет.

Казалось бы, самая близкая к Солнцу планета, где температура на дневной стороне достигает 430°C, никак не может иметь воду, но на полюсах Меркурия есть кратеры, куда никогда не попадает солнечный свет. В этих вечных ледяных ловушках с температурой не выше -173°C сохраняется водяной лед. Этот лед покрыт слоем темного материала, который защищает его от сублимации — прямого перехода из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Происхождение льда на Меркурии, вероятно, двойное: часть принесли кометы, часть выделилась из недр планеты и замерзла в холодных кратерах.

То же самое, что на Меркурии, происходит и на Луне. В постоянно затененных кратерах у лунных полюсов лежит водяной лед. Солнечный свет туда никогда не попадает, поэтому лед не тает и не испаряется. В 2024 году в кратере Шумейкер обнаружили характерную волнистую текстуру поверхности, которую ученые называют «слоновьей кожей» — она типична для склонов, содержащих водяной лед. По мнению ученых, эти запасы могут быть полезны для будущих обитаемых лунных баз.

Спутник Юпитера Европа  — одно из самых захватывающих мест в Солнечной системе. Под многокилометровым слоем льда скрывается глобальный океан жидкой воды. Толщина ледяной коры, по разным оценкам, составляет от 10 до 30 километров, а сам водяной слой под ней — более 100 километров. По данным NASA, этот океан может содержать вдвое больше воды, чем все океаны Земли вместе взятые. О существовании океана косвенно свидетельствует поверхность Европы: на ней видны разломы и участки молодого, почти нетронутого радиацией льда — значит, вода из недр выходит на поверхность и замерзает относительно недавно. Из-за приливных сил Юпитера недра Европы разогреваются, и океан остается жидким даже при экстремальном холоде

Ганимед — самый крупный спутник в Солнечной системе, и у него тоже есть подледный океан. Он расположен под 150-километровой корой из льда. Толщина самого океана составляет около 100 километров — это в десять раз глубже земных океанов. Если собрать всю воду Ганимеда в один шар, он будет больше земного водного шара. Существование соленого океана подтвердил еще зонд «Галилео» в 1990-х годах.

Каллисто — еще один спутник Юпитера, который, вероятно, скрывает под своей поверхностью океан. Данные магнитного поля Каллисто указывают на наличие слоя соленой воды толщиной до десяти километров на глубине примерно 150 километров. Это удивительно, потому что Каллисто находится далеко от Юпитера и приливное тепло не разогревает его недра. Это значит, жидкая вода может сохраняться в ледяных мирах и без такого источника тепла.

Энцелад — небольшой спутник Сатурна — стал знаменитым благодаря своим гейзерам. В 2005 году зонд «Кассини» обнаружил фонтаны водяного пара и ледяных частиц, бьющие из трещин в южном полушарии спутника. Выяснилось, что эти гейзеры связаны узкими каналами с подповерхностным океаном жидкой воды, который находится всего в нескольких десятках метров под ледяной корой. Анализ вещества гейзеров показал, что вода в океане Энцелада содержит растворенную поваренную соль, соду и органические соединения. Более того, pH этой воды щелочной — около 11–12, что схоже с условиями у гидротермальных источников на дне земных океанов, где кипит жизнь.

Титан — крупнейший спутник Сатурна и единственное, кроме Земли, тело в Солнечной системе, на поверхности которого есть жидкие реки, озера и моря. Правда, это не вода, а смесь жидких углеводородов — метана и этана. Температура на Титане около -180°C, так что вода на поверхности была бы твердой, как камень. Но под слоем льда, вероятно, скрывается океан из жидкой воды с примесью аммиака. Атмосфера Титана плотная и похожа на земную, а метановые реки и озера делают его одновременно чужим и удивительно знакомым миром.

На Международной космической станции вода ценится больше всего. Доставлять ее с Земли дорого: каждый килограмм груза обходится в тысячи долларов. Поэтому вода на МКС — это замкнутая система, в которой почти ничего не теряется.

Воду привозят грузовые корабли, но это только аварийный запас. Основной источник — регенерация. Специалисты подсчитали, что в сутки человек выделяет около 2,5 литра жидкости через дыхание и пот. Системы жизнеобеспечения собирают этот конденсат, фильтруют его и снова подают космонавтам. Сейчас на МКС перерабатывается до 98 % воды, включая мочу. Без специального устройства для переработки соленого остатка уровень регенерации составлял бы 93–94 %. Примеси расщепляются в каталитическом реакторе, вода проходит через множество фильтров, и датчики проверяют ее чистоту. Только после этого в воду добавляют йод для уничтожения микробов.

На российском сегменте МКС за регенерацию отвечает система СРВ-К2М, которая собирает и очищает конденсат из воздуха. Вода, получаемая при переработке мочи, сначала проходит предварительную очистку, а затем поступает в эту же систему для доочистки. Вода на орбите не хлорируется, как на Земле. Вместо этого используется йод, чтобы не раздражать дыхательные пути космонавтов.

Система очистки воды на МКС — многоступенчатый комплекс, в котором задействованы фильтры, каталитические реакторы и датчики контроля качества. Собранные сточные воды (урина, конденсат из воздуха, вода после гигиенических процедур) направляются в блок обработки воды, где и происходит очистка.

Сначала вода проходит через грубые фильтры, которые задерживают крупные частицы. Затем она поступает в каталитический реактор: при высокой температуре любые органические загрязнители расщепляются до простых молекул. После этого жидкость пропускают через серию тонких мембран и ионообменников. На финальной стадии датчики проверяют качество воды; если она не соответствует стандартам, то отправляется на повторную очистку.

Стандартный цикл очистки воды на МКС включает последовательное прохождение через систему из нескольких блоков. Сначала сточные воды собираются из всех источников — урины, конденсата и технической воды. После этого жидкость фильтруется, чтобы отсеялись крупные загрязнения и взвеси. Затем включается каталитический окислитель, который разлагает органику при высоких температурах. Далее идут высокоточные угольные и ионообменные фильтры. Контроль качества проводят датчики, и если вода чистая, в нее добавляют йод для дезинфекции.

Вода на МКС обязана соответствовать строгим стандартам питьевой воды, установленным для космонавтов. Любые примеси способны быстро накапливаться в замкнутой системе и влиять на здоровье экипажа. Мембраны задерживают молекулы загрязнителей, пропуская только воду. Если один фильтр пропустит что-то вредное, следующий его обязательно задержит.

В условиях невесомости привычная для нас вода перестает течь и образовывать лужи. Вместо этого любая капля стремится стать идеальным шаром из-за поверхностного натяжения.

На Земле гравитация прижимает воду к дну стакана или растекается по столу. На орбите гравитация почти не действует, и единственная значимая сила, управляющая жидкостью, — поверхностное натяжение. Молекулы воды на поверхности притягиваются друг к другу сильнее, чем к окружающей среде, и вся капля «стягивается» в форму с минимальной площадью поверхности. А минимальная площадь при заданном объеме — это шар.
Если вылить воду из пакета на МКС, она не упадет на пол, а превратится в сотни маленьких шариков, которые будут медленно плавать в воздухе. В космосе вода не «прилипает» к поверхностям, а собирается в идеальный шар.

В открытом космосе — вакуум, близкая к абсолютному нулю температура и жесткое излучение. Если выпустить воду наружу, с ней случится нечто непривычное: она сначала закипит и испарится, а потом замерзнет. Но не в обратном порядке, как вы могли подумать.
Из-за почти полного вакуума давление падает практически до нуля. Вода при таких условиях закипает даже при низких температурах. Например, при температуре тела космонавта в скафандре. Когда молекулы воды с огромной скоростью испаряются, они уносят с собой тепло. Оставшаяся часть быстро теряет энергию и замерзает, превращаясь в крошечные льдинки. Температура замерзания воды зависит от давления: в вакууме этот процесс происходит иначе, чем на Земле. Эти льдинки затем продолжают переходить из твердого состояния сразу в газообразное, минуя жидкую фазу. Так сублимация льда продолжается до тех пор, пока от него вообще ничего не останется.

Внутри МКС созданы условия, близкие к земным: нормальное давление, кислород, температура около 22°C. Поэтому вода на станции ведет себя так же, как на Земле: она жидкая, ее можно пить, и кипит она при 100°C. Единственное отличие — форма, которую мы уже обсудили. Из-за невесомости вода не течет из крана привычной струей, а собирается в шары. Поэтому космонавты пьют воду через специальные трубочки или выдавливают ее из пакетов.

На МКС также используют воду для технических нужд. Например, система «Электрон» расщепляет воду на водород и кислород — последний идет на пополнение атмосферы станции.

Там все зависит от конкретных условий. На Марсе, при давлении около 0,6 % от земного и средней температуре -60°C, жидкая вода существовать не может. Она либо замерзает, либо испаряется. Однако в приповерхностных слоях и в полярных областях есть водяной лед. Почему лед не тает? Давление слишком низкое, поэтому вода переходит из твердого состояния сразу в газообразное. Это особенно заметно в южной полярной шапке Марса, где лед постепенно испаряется в атмосферу. На ледяных спутниках-гигантах вода на поверхности — твердый лед при температуре ниже -160°C, а в глубине, из-за давления и приливного разогрева, существует жидкий океан.

Вода считается одним из ключевых ингредиентов для жизни в том виде, в каком мы ее знаем. Она служит растворителем, в котором происходят биохимические реакции, и средой для переноса питательных веществ. Поэтому астробиологи ищут воду, особенно жидкую, на других планетах и спутниках.

Подледные океаны Европы, Ганимеда и Энцелада — главные кандидаты на наличие внеземной жизни в нашей Солнечной системе. Там есть вода, химические элементы и, вероятно, источник тепла как на дне земных океанов, где у гидротермальных источников кипит жизнь без солнечного света.

На Марсе жидкой воды сейчас нет, но были ли условия для жизни в прошлом, когда планета была теплее и влажнее? Ученые продолжают искать следы древней жизни в марсианских породах. На Титане жизнь могла бы использовать не водную, а метановую основу, что расширяет наши представления о возможных формах жизни.

Астрономы используют несколько методов для поиска воды в космосе. Чаще всего используют спектральный анализ. Каждая молекула воды оставляет в электромагнитном спектре уникальный «отпечаток» на определенных длинах волн. С помощью телескопов, находящихся на орбите или на Земле, ученые регистрируют эти спектральные линии в излучении далеких звезд, туманностей и планет. Например, таким способом впервые обнаружили водяной пар в атмосфере Юпитера.

Для поиска воды вблизи, на Луне и Марсе, используют нейтронные детекторы. Вода замедляет быстрые нейтроны, приходящие из космоса, и по изменению потока отраженных нейтронов можно определить, сколько льда скрыто под поверхностью.
Также пользуются радиолокационным зондированием. Радары на орбитальных аппаратах посылают радиоволны, которые проникают сквозь грунт и отражаются от границ раздела сред. Так, например, обнаружили подледное озеро под ледяной шапкой Марса.

В будущем поиск воды продолжат новые миссии. В 2028 году планируется запуск миссии Dragonfly к Титану, которая исследует его поверхность и, возможно, подтвердит наличие водяного льда и подповерхностного океана.