Вода покидает тёплые планеты — станет ли Земля похожа на Марс?

Две ближайшие к Земле планеты — Венера и Марс — однажды имели огромные океаны, простирающиеся на многие миллионы квадратных километров. Но все планеты с жидкой водой на поверхности очень хрупкие. Венера не смогла удержать свои океаны, и они улетучились в космос. Недавно мы узнали, что и Марс потерял большую часть своей воды, после чего превратился в сухую и холодную пустыню.

А ты, Земля? Как насчёт тебя? Даже не так: как насчёт нас? Какое будущее уготовано для самого ценного ресурса нашей планеты? Можем ли мы растратить незаменимые резервы воды и превратить Землю в пустыню, похожую на Венеру или Марс?

Если парниковой эффект ещё немного поднимет температуру планеты, вода может начать улетучиваться в космос.

Вода на молекулярном уровне

Вещество, которое мы называем водой, состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Ядро атома водорода состоит из одного положительно заряженного протона, и вокруг него вращается один отрицательно заряженный электрон. Тем не менее в ядре может также содержаться один незаряженный нейтрон. Даже с этим нейтроном заряд ядра остаётся положительным, но есть одно важное отличие: атом с нейтроном в ядре гораздо тяжелее обычного атома водорода.

Химики называют такой «тяжёлый» водород дейтерием. Во всех химических реакциях дейтерий ведёт себя так же, как и обычный водород; он просто тяжелее. Если в молекуле воды заменить атомы водорода дейтерием, она останется такой же на вкус, ей всё так же можно будет поливать цветочки — с той лишь разницей, что она станет тяжелее.

И всё дело в этом дополнительном весе: сила тяжести притягивает дейтерий сильнее, чем обычный водород. Когда дейтерий и водород находятся в атмосфере нашей планеты, водород поднимается гораздо выше. И если гравитация планеты недостаточно сильная — как, например, у Венеры, Земли и Марса — обычный водород может подняться так высоко, что уже не вернётся назад и покинет планету. Дейтерий же будет удержан гравитацией планеты.

Первоначальное соотношение водорода к дейтерию

В 1995 году зонд NASA «Галилео» измерил соотношение водорода к дейтерию в атмосфере Юпитера. Результаты измерений говорят о соотношении 40 тысяч к одному. Юпитер — такая массивная планета, что её не могут покинуть ни водород, ни дейтерий. Поэтому учёные-планетологи уверены, что все планеты Солнечной системы сформировались с таким соотношением водорода к дейтерию.

Таким образом, все планеты земной группы в момент своего формирования содержали атомы водорода и дейтерия в пропорциях 40 тысяч к одному. Давайте подсчитаем: если бы мы хотели сделать 20 тысяч молекул воды, нам понадобилось бы 40 тысяч атомов водорода (из которых, согласно вышеупомянутому соотношению, 39 999 атомов водорода и один атом дейтерия) и 20 тысяч атомов кислорода. Из этого количества атомов можно сделать 19 999 молекул воды H2O и одну молекулу «тяжёлой воды» HDO, где водород замещён дейтерием.

Реальное соотношение

Если вы зачерпнёте стакан воды из любого океана Земли, любого озера на любом континенте, из альпийского ледника или йеллоустонского гейзера, соотношение атомов водорода к дейтерию в нём будет 6250 к одному. Не 40 000 к одному.

Почему так? Когда-то давно наша планета содержала огромное количество водорода. Постепенно атомы водорода покидали Землю, снижая соотношение с первоначальных 40 000 к 1 до 6250 к 1. Таким образом, к настоящему моменту Земля уже потеряла 80% своего водорода, а поскольку на нашей планете водород содержится главным образом в воде, потеря водорода эквивалентна потере воды.

Космическая станция NASA «Пионер» в 1978 году выпустила зонд в атмосферу Венеры, который измерил её физические и химические свойства. Одним из самых неожиданных открытий стало соотношение атомов водорода к дейтерию — всего лишь 62 к одному, в сто раз ниже, чем на Земле.

Какой из этого следует вывод? Однажды Венера была влажной планетой, но потом превратилась в сухую пустыню. Как мы знаем, температура на поверхности Венеры — более 460 градусов Цельсия. Когда-то на Венере были океаны, но они выкипели, а ультрафиолетовый солнечный свет разделил молекулы воды на атомы кислорода и водорода. В результате этого лёгкие атомы водорода поднялись слишком высоко и «утекли» в космос, в то время как тяжёлый дейтерий остался в атмосфере. Соотношение водорода к дейтерию на Венере — свидетельство того, что случилось с нашей соседкой миллиарды лет назад.

Что касается Марса, полученные марсоходом NASA «Кьюриосити» данные говорят, что соотношение водорода к дейтерию на этой планете в семь раз меньше, чем на Земле. Это говорит нам о том, что Марс, как и Венера, в прошлом потерял почти всю свою воду.

Общий объём воды на Марсе (в ледяных полярных шапках, в атмосфере, в ледяных слоях под поверхностью планеты) мог бы покрыть всю планету океаном глубиной 21 метр. Измерения соотношения водород-дейтерий говорят нам, что раньше на Марсе было в семь раз больше воды — достаточно для океана глубиной 137 метров.

Что дальше?

Венера и Марс. Планетологи знают, что когда-то давно обе эти планеты были влажными — совсем как Земля. Ни одна из них не смогла удержать свою воду достаточно долго для зарождения жизни. Их урок прост: водные миры очень хрупкие. Водные миры, которые могут пережить разрушительные явления, будь то естественные или вызванные их обитателями — очень редки и потому бесценны.

Если мы позволим температуре на нашей планете подняться на пару градусов выше, то сможем пережить эту небольшую экологическую катастрофу. Но кто знает, не станут ли эти несколько градусов последней каплей, которая запустит тот же смертельный процесс, который однажды лишил воды Венеру и Марс?