Брифинг для школьников «Сохранить природу - сохранить жизнь». 8 класс.

Муниципальное образовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 21»

Методические материалы по астрономии на тему:

«Гипотеза наличия воды в Солнечной системе».

                                                                                  Выполнила: учитель физики МОУ СОШ № 21

                                                                                    Соловьёва Марина Олеговна

Тверь, 2023г.

Содержание

Введение……………………………………………………………………………..2

Глава 1. Развитие гипотезы и способы её доказательства…….……………...4

1.1.            Истоки изучения жидкой воды вне Земли…...…….……………………....4

1.2.            Откуда берётся вода?…………..…………….……………………………..4

1.3.            Способы обнаружения воды….…………………………………………….5

Глава 2. Объекты-кандидаты на наличие воды ………………………………7

2.1.      Луна……………………………………………...……………………………7

2.2.      Марс……………………………………..……………………………………8

2.3.      Газовые гиганты………………………..……………………………………9

2.4.      Спутники и карликовые планеты………………………..…………...……10

2.5.      Экзо-планеты вне Солнечной системы………………………...…………12

Заключение………………………………………………………………………..14

Список справочной литературы…………………………...………………………15

Приложение…………………………………………………………………………16

Введение.

Земля - единственная планета Солнечной системы, на которой существует жизнь. В результате долгих лет формирования, деятельности вулканов на поверхности планеты образовалась вода, в которой зародилась первая жизнь. Это одна из основных гипотез возникновения жизни. Наша планета, пока что, единственный объект известный учёным, на котором есть живые организмы. Это наталкивает на мысль, что наличие воды является одной из главных предпосылок наличия жизни, ведь на Земле везде, где есть вода, всегда находятся какие-нибудь живые организмы.

Учёные уже давно ищут воду на других объектах Солнечной системы помимо Земли. Я решила провести анализ гипотезы наличия воды вне Земли, изучить информацию по объектам и занести все данные в таблицы.

Задачи исследования:

1. Изучить историю развития гипотезы.

2. Узнать, как образуется вода в космосе.

3. Узнать способы обнаружения воды.

4. Изучить критерии объектов, на которых возможно существование воды.

5. Собрать информацию и составить таблицы с параметрами объектов-кандидатов на наличие воды.

Гипотеза: Возможно ли, существование воды в Солнечной системе на внеземных объектах?

Предмет исследования:  возможность наличия воды на объектах в Солнечной системе помимо Земли.

Объект исследования:  вода в жидком, твёрдом и газообразном состоянии.

При выполнении работы, я задействовала следующие основные методы исследования:

1.            Поиск и теоретический анализ литературы.

2.            Анализ экспериментальных данных.

3.            Обобщение полученной информации и систематизации данных.

Глава 1.  Развитие гипотезы и способы её доказательства.

1.1.     Истоки изучения жидкой воды вне Земли.

Именно вода на объектах Солнечной системы помимо Земли стала интересовать учёных не просто так. Она занимает большую часть нашей планеты и самое главное – делает климат нашей планеты пригодной для жизни, поэтому исследования вышли за пределы Земли, чтобы люди лучше стали понимать природу этого вещества, его значения для космических тел и понимания устройства Вселенной в целом.

Сначала воду пытались искать в жидком виде и на тех, космических объектах, которые похожи на Землю по своей структуре, составу и расположению относительно Солнца. Внимание учёных было обращено на Венеру и Марс, но не одна из планет не оправдала ожиданий.

Более убедительные признаки воды в жидком виде были обнаружены на ледяном спутнике Сатурна Энцеладе, и учёные до сих пор предполагают наличие под поверхностью вечной мерзлоты спутника огромного жидкого океана.

Сейчас, когда технологии стали развиваться с высокой скоростью, появились новые способы изучения космических тел исследования и поиски вне Земной воды вырвались за пределы Солнечной системы к экзо-планетам у других звёзд на расстояниях, которые исчисляются световыми годами.

1.2.     Откуда берётся вода?

Одна из гипотез появления воды на Земле, принадлежащая Б.Ю. Левину (1962г.), заключается в том, что в период образования планета подвергалась постоянному бомбардированию поверхности метеоритами из космоса разных форм, размеров и составов, в них может быть достаточно летучих веществ и самой воды.

Метеориты помимо типичного состава из железа и камня, могут быть ещё и ледяными. Именно они могли стать причиной появления на нашей планете воды, а затем и жизни в ней, поскольку тогда Земля ещё не имела такой плотной атмосферы как сейчас. Но откуда же взялся водный лёд в космосе?

Учёные полагают, что источником воды в космосе являются как ни странно звёзды. Вода копится в межзвёздном пространстве ещё с появления первых звёзд, более 10 миллиардов лет назад (больше, чем возраст нашего Солнца). Звёзды в основном состоят из водорода, гелия и кислорода. Когда звезда входит в последнюю часть своего жизненного цикла, равновесие сил газового давления и гравитации нарушает, атмосфера звезды раздувается и охлаждается.

Поступающие из ядра «погибшей» звезды ионы и атомы кислорода в условиях более низкой температуры превращаются в молекулы, далее, когда становится ещё холоднее выделившийся водород и кислород покрывают маленькие пылинки других молекул химических элементов слоем льда.

В конечном итоге вода в виде пылинок льда продолжает находиться в газопылевых облаках, где потом рождаются молодые звёзды, которые вновь станут источником воды. Поскольку в остатках этих самых облаков газа и пыли возможно образование планет, они тоже будут содержать некоторый процент водяного льда и пара, если у них будет определённая масса и подходящая температура для удержания.

1.3. Способы обнаружения воды.

С развитием современных технологий становится всё проще заглядывать в далёкие уголки не только солнечной системы, но и космоса в целом. В Солнечной системе для нахождения воды учёные использовали разные способы:

1.     Прямое наблюдение в телескоп.

2.     Изучение грунта объекта.

3.     Данные с космических зондов.

Первый способ довольно прост в понимании, но не очень надёжен, так как наблюдение непосредственно с Земли через оптические телескопы может быть затрудненно многими факторами, но учёные могут справиться со всеми трудностями и в итоге видеть изображение не хуже, чем, например, у космического телескопа Хаббл.

Второй способ подойдёт лишь для близких к Земле объектов, потому что сбор и доставка образцов это весьма затратный процесс по времени, да и финансам тоже, но он может помочь определить наличие молекул воды или последствий наличия воды в грунте космического тела.

Третий способ наиболее распространён и достоверен, потому что космические аппараты могут подлетать непосредственно к объектам (например Пионер-10) или просто пролетать мимо (например Вояджеры 1 и 2)[1] и делать снимки или фиксировать другими установленными приборами какие-либо отклонения от ожидаемых параметров, которые могут являться признаком наличия воды в разных агрегатных состояниях на теле.

Глава 2.  Объекты-кандидаты на наличие воды.

2.1.    Луна.

До середины ХХ века учёные были уверенны, что на Луне нет воды, они разглядывали поверхность спутника в телескопы и не могли найти там никаких признаков её наличия. Первыми, о том, что на луне может быть вода, выдвинули предположение советские учёные по данным межпланетной станции Луна-24 в 1976 году, а потом уже аэрокосмическое агентство NASA сообщило, что на Луне есть вода, но не в жидком виде. Обнаружить воду помогла стратосферная обсерватория SOFIA(совместный проект США и Германии), на которой было закреплено оборудование для проведения инфракрасной спектроскопии. В августе 2018 года SOFIA сканировала поверхность Луны и в ходе процесса были обнаружены явные признаки наличия воды.

Молекулы воды были найдены на теневой стороне Луны на южных широтах кратера Клавий[2], по последним оценками в нём содержится от 100 до 400 микрограмм на грамм грунта. Для Луны это приличный и удивительный показатель, учитывая её происхождение и расположение.

Объект	Средний радиус	Площадь поверхности	Масса	Удалённость от Солнца	Количество воды
Луна (естественный спутник Земли)	0,273 земного	0,074 земной	0.0123 земной	149,6 млн км (примерно как у Земли, с учётом положения спутника)	От 100 до 400 микрограмм на грамм грунта

2.2.   Марс.

Марс стал одним из самых интересных объектов для учёных, для поиска на нём воды, так как его параметры довольно схожи с Землёй. Этот факт предполагал возможность наличия на планете воды в жидком виде.

Учёные долгое время рассматривали поверхность Марса и искали какие-нибудь признаки воды, в процессе исследования стало известно, что многие формы рельефа на красной планете могли образоваться при содействии воды в жидком виде по аналогии с Землёй, но больший интерес стали представлять ледяные  шапки на полюсах планеты. По подсчётам учёных в кратере Королёв, не далеко от Северного полюса содержится примерно 2 триллиона тонн водяного льда. С Южной полярной шапкой было не всё так однозначно, но в 2004 году спектрометр OMEGA на Mars-Express[3] обнаружил, что южная шапка имеет два слоя, как сухого льда, так и водяного.

Позже, в 2012-2015 годах, Южный полюс был просканирован уже другим аппаратом MARSIS, и на основе этих исследований учёные объявили, что примерно в 500 км от полюса, на глубине полутора километров есть озеро, вода которого не замерзает из-за чрезмерной солёности. По некоторым предположениям оно так же могло бы подогреваться за счёт остатков древней вулканической активности планеты.

Объект	Средний радиус	Площадь поверхности	Масса	Удалённость от Солнца	Количество воды
Марс (четвёртая планета Солнечной системы)	0,532 земного	0,283 земного	0,107 земной	Перигелий: 1,381 а.е. Афелий: 1,666 а.е.	65 млн км в кубе

2.3.   Газовые гиганты.

По мере удаления наблюдаемого объекта от Земли исследования начинают значительно затрудняться, но даже это не помешало учёным заглянуть в другую часть Солнечной системы, где располагается четыре планеты, состоящие в основном из газа. По некоторым данным в атмосфере Юпитера присутствует газовый слой водяного пара, который, из-за схожих условий с земными, может конденсироваться в капли, но кислорода в составе планеты не много, потому количество воды там минимальное. Больший интерес для поиска воды всё же принадлежит его спутникам см. стр. 10. Сатурн наличием кислорода в атмосфере почти не отличается, настолько его процент мал, но интерес всё же представляет, так же как и Юпитер благодаря своим спутникам см. стр. 11.

Отдельно от Юпитера и Сатурна учёные обычно выделяют Уран и Нептун в особую группу ледяных гигантов, и есть предположения, что внутри них под большим давлением могут находиться крупные горячие океаны воды, но поскольку внутренняя структура этих планет ещё мало изучена утверждать, что предположения правдивы, не стоит.

Объект	Средний радиус	Площадь поверхности	Масса	Удалённость от Солнца	Количество воды
Юпитер (пятая планета Солнечной системы)	69911 км	6,21796*10^10 км в квадрате 121,9 земных	317,8 земных	Перигелий: 4,950429 а.е. Афелий: 5,2458104 а.е.	Около 0,0004%
Уран (седьмая планета Солнечной системы)	25362 км	8,1156*10^9 км в квадрате	14,59 земных	Перигелий: 18,375519 а.е. Афелий: 20,083305 а.е.	В 50000 раз больше, чем в океанах Земли (с Нептуном)
Нептун (восьмая планета Солнечной системы)	24622 км	7,6408*10^9 км в квадрате	17,147 земных	Перигелий: 29,766071 а.е. Афелий: 30,441252 а.е.	В 50000 раз больше, чем в океанах Земли (с Ураном)

2.4.   Спутники и карликовые планеты.

Говоря о газовых гигантах нельзя не упоминать их спутники коих у них огромное количество Юпитер(95), Сатурн(63 подтверждённых, 20 неподтверждённых), Уран(27), Нептун(14). Я затрону самые известные из них.

Европа - спутник Юпитера. Исследование этого спутника началось с обнаружения космическим аппаратом «Галилео»[4] признаков активности гейзеров его поверхности, позже наличие таких процессов подтвердил орбитальный телескоп «Хаббл»[5]. Они могут быть свидетельством того, что под поверхностью спутника находится солёный океан.

Ганимед – наибольший спутник Юпитера. Этот спутник состоит в основном из силикатных пород и водяного льда, считается, что под внешней оболочкой находится солёная жидкая вода. Признаки наличия океана под поверхностью были обнаружены в ходе миссии «Галилео», а позже подтверждены данными с телескопа «Хаббл».

Каллисто – спутник Юпитера. С помощью спектроскопии на её поверхности был обнаружен водяной лёд, а исследования, совершённые «Галилео» позволяют предположить наличие океана под поверхностью спутника.

Энцелад – спутник Сатурна. Этот спутник преимущественно состоит из водяного льда и имеет самую чистую в Солнечной системе ледяную поверхность. Исследование началось с того, что в 2004 году станция «Кассини» зарегистрировала высокие фонтаны воды из трещин в коре спутника, и уже в 2005 году, после передачи «Кассини» снимков этих гейзеров, стали выдвигаться предположения о наличие под поверхностью солёного океана. Позже, в 2014 году были опубликованы результаты исследований, согласно которым океан действительно существует.

Титан – спутник Сатурна. Согласно расчётам, этот спутник имеет твёрдое ядро, которое окружено несколькими слоями льда, а внешний слой мантии состоит из водяного льда и гидрата метана. Возможность присутствия внутреннего океана, так же как и на других перечисленных выше спутников, не исключалась, а в соответствии со снимками, обнародованными в июне 2012 года, собранными «Кассини», океан действительно может быть, но он, вероятно, является очень плотным и солёным.

Отдельного внимания так же заслуживают объекты пояса Койпера, называемые карликовыми планетами.  

 Церера – карликовая планета, диаметр которой составляет всего лишь 950 километров. Доказано, что этот объект на 30% состоит изо льда, но интересна Церера тем, что недавно на ней были обнаружены признаки наличия морской воды. Такие данные были получены с помощью космического аппарата Dawn, который сделал снимки этой карликовой планеты на расстоянии всего 35 километров.

Говоря о карликовых планетах нельзя не упомянуть Плутон – крупнейший из известных транснептуновых объектов, по площади немного превышающий Россию. Зонд «Новые горизонты»[6] ещё в 2015 году сделал его снимки, с помощью которых учёные смогли убедиться, что под ледяной корой может присутствовать жидкая вода.

2.5. Экзо-планеты вне Солнечной системы.

Наука в современном мире не стоит на месте. Учёные уже способны заглянуть дальше, чем расстояние 125-230 астрономических единиц, за которым находится межзвёздное пространство. У других звёзд есть свои планеты, в состав которых может входить водяной лёд или даже на них могут быть целые океаны жидкой воды.

К2-18b – планета с весьма прозаичным названием, по данным превышающая массу Земли в несколько раз, но являющаяся значительно легче Нептуна, так называемая суперземля. Этот объект был обнаружен аппаратом «Кеплер» в 2015 года в созвездии Льва у красного карлика на расстоянии 110 световых лет от Земли. Планета находится в, так называемой, обитаемой зоне относительно своей звезды, как Земля, а из этого следует возможность предполагать, что помимо открытых ранее водяных паров в атмосфере планеты на ней самой может быть вода в жидком виде, но пока это лишь результаты моделирования.

Не менее отличились три планеты в составе системы Глизе 581 под буквами c, d, g. Все эти объекты были включены в список потенциально обитаемых планет не просто так, поскольку они находятся в зоне обитаемости и могут иметь на своей поверхности жидкую воду.

Объект	Радиус (в радиусах Земли или Юпитера)	Площадь поверхности	Масса (в массах Земли или Юпитера)	Удалённость от материнской звезды
К2-18b	2,711±0,065	-	8,63±1,35	0,1591 а.е.
Глизе 581c	-	-	5,36	0,073 а.е.
Глизе 581d	-	-	6,98	0,22 а.е.
Глизе 581g	0,29j	-	0,31j	0,14601 а.е.

Заключение.

1. Больший вклад в изучение воды вложил способ с анализом данных и фотографий с зондов.

2. Чаще всего вода на планетах и спутниках находится в твёрдом или газообразном агрегатном состоянии.

3. Наибольший интерес для учёных представляют объекты подобные Земле или же имеющие в своём составе большой процент льда.

Тема поиска воды на других телах в космосе помимо Земли всегда была и остаётся актуальной по сей день, с каждым новым технологическим прорывом (отличный тому пример телескоп Джеймс Уэбб[7], среди целей которого есть изучение Солнечной системы и экзопланет) круги изучения расширяются, а по старым объектам появляются новые данные, опровергающие или подтверждающие уже имеющиеся теории. Вода является одним из признаков наличия жизни, и возможно когда-нибудь в будущем она приведёт человечество к другой обитаемой планете.

Список литературы:

1.    https://www.interfax.ru/world/734283

2.    https://www.sunhome.ru/journal/13645

3.    https://v-kosmose.com/ogon-i-led-sputniki-yupitera-u-kotoryih-est-okean/

4.    https://habr.com/ru/post/551780/

5.    https://waterservice.kz/blog/art37.html

6.    https://ru.wikipedia.org/wiki/Внеземная_вода

Приложение:

   

1. Вояджер-2

   

2. Кратер Клавий на Луне

  

3. Mars-Express

   

4. Галилео

   

5. Хаббл

  

6. Новые горизонты

   

7. Джеймс Уэбб