Все, что тебе нужно знать о Вселенной и Воде

26.04.2020

На заре освоения космоса простым людям было трудно поверить в то, что за пределами нашей планеты есть вода, что вызывало тревогу и фантастические ожидания, связанные с нашим чувством одиночества в космосе.

Концепция Вселенной и Воды. Кредит изображения: НАСА
Концепция Вселенной и Воды. Кредит изображения: НАСА

Два столетия назад, в 1887 году, итальянский астроном Джованни Скиапарелли наблюдал за планетой Марс с помощью телескопа диаметром 28 сантиметров и нарисовал карту планеты, включая некоторые прямые линии, которые, как он думал, он видел, назвав их "каналами", как искусственный способ назвать их похожими на "моря", с помощью которых были названы некоторые места, наблюдаемые на Луне, хорошо зная, что они не являются водоемами.

Однако, спустя годы, в 1895 году, Персивал Лоуэлл, американский миллионер, покровитель астрономии, стал одержим каналами Скиапарелли и убедил себя, что такие прямые линии являются истинными акведуками, которые несут воду в некоторые воображаемые цивилизации, без каких-либо доказательств, таким образом, начиная мировую лихорадку за несуществующие марсиане и их химерные акведуки.

Лишь в ХХ веке, в 1957 году, с запуском советского спутника-спутника люди смогли технологически исследовать наш район. Два года спустя, в 1959 году, беспилотные советские корабли "Луник 1" и "Луник 2" высадились на Луну. Однако наше беспокойство о существовании воды за пределами планеты не могло быть подтверждено или опровергнуто доказательствами, даже человеческим присутствием Соединенных Штатов на нашем естественном спутнике в 1960-х и начале 1970-х годов во время экспедиций "Аполлон".

В 1990-х годах американские роботы-спутники "Клементина" и "Луновед" предположили наличие замерзшей воды на полюсах Луны. Наконец, с фактами, с доказательствами, к 2012 году Лунный разведывательный орбитальный аппарат Космического Агентства США получил данные, которые позволили ему утверждать, что четверть материала в кратере Шеклтон - это замерзшая вода.

Благодаря прогрессу научных знаний, более совершенным и последовательным теоретическим средствам и материалам, технологическим разработкам и инновациям, освоение космоса сегодня практически не выходит за пределы Солнечной системы; искусственные артефакты достигают самых далеких планет и исследуют их естественные спутники.

Мы знаем, что на некоторых спутниках Юпитера есть вода. Каллисто на 40% состоит из льда и на 60% из камня и железа. Европа имеет жидкую воду под своей ледяной поверхностью; Ганимед имеет скалистое ядро, обернутое в большую мантию воды и льда. На орбите планеты колец, Сатурна, Энцелада расположены водные вулканы, Титан состоит из замерзшей воды и каменистого материала.

В январе 2013 года зонд Mars Express Европейского космического агентства (ЕКА), исследуя регион под названием Тежу Валлес, наблюдал кратеры, которые когда-то удерживали воду, и до сих пор есть признаки этого. В одном из них, в правом верхнем углу, было видно небольшое извилистое русло реки, что является еще одним свидетельством существования воды в какой-то момент в ее прошлом. Совсем недавно, в марте, исследователь Mars Curiosity Explorer НАСА обнаружил следы слоёв воды в горных минералах.

С момента своего создания во Вселенной была вода

Вселенная зародилась 13,7 миллиардов лет назад. За исключением первозданного водорода и гелия, все элементы образовались в результате термоядерной активности в звездах и их распада.

Первые молекулы воды, состоящие из двух атомов водорода, связанных с одним атомом кислорода, появились 12 миллиардов лет назад, всего через 1,7 миллиарда лет после возникновения Вселенной, согласно сообщениям астрономов Калифорнийского технологического института через его субмиллиметровую обсерваторию и астрономов Европейского космического агентства через телескопическую решетку под названием ALMA (Atacama Large Millimeter Array - Большой миллиметровый массив Атакамы).

В первом случае это огромное облако водяного пара, окружающее мощную черную дыру. Во втором случае астрономы обнаружили зарождающиеся галактики, содержащие молекулы воды. Вода, таким образом, была в изобилии во Вселенной с момента ее зарождения.

Во Вселенной, расположенной вблизи нашей Солнечной системы, всего в двух тысячах световых лет от нас, в 2001 году мексиканские астрономы Луис Фелипе Родригес, Сальвадор Кюриэль, Хорхе Канто и испанка Хосе Мария Торрельяс обнаружили в созвездии Цефея вновь образовавшуюся звезду, окутанную удивительным пузырьком водяного пара.

На нашей "голубой планете" на самом деле очень мало воды

На нашей планете следы воды удивительно тонкие. То, что похоже на огромные океаны, бурные реки, облачные образования, вечные льды, - все это сходится в тонкий поверхностный слой, покрывающий лишь три четверти огромной каменистой и минеральной массы Земли, эквивалентной лишь плёнке влаги, оставшейся после того, как мы вытаскиваем апельсин после окунания его в ведро с водой.

Если бы вся вода на Земле поместилась в однолитровую бутылку, 975 миллилитров были бы соленой водой, 25 - льдом или недоступными грунтовыми водами, и только треть миллилитра - эквивалент капли - была бы пресной жидкой водой, которой мы должны жить. А чтобы жить, мы должны делиться этой маленькой каплей воды с растениями и животными, с экосистемами.

В Мексике всего 0,1 процента имеющейся на планете пресной воды. Ежегодно по всей стране выпадает около 1500 кубических километров воды, что эквивалентно бассейну размером с федеральный округ глубиной в один километр. Кроме того, почти три четверти этой дождевой воды испаряется. Страна полузасушливая, поэтому важно рассматривать воду не только как жизненно важный элемент, но и как стратегический фактор развития.

Если воды не хватает, мы умираем; если ее слишком много, мы тоже умираем. Наводнения и засухи одинаково смертельны для нашего вида. Несмотря на технический прогресс и адаптацию к окружающей среде, мы не готовы к природным явлениям. Человеческая деятельность, влияющая на избыток или нехватку воды, - это обезлесение, интенсивное сельское хозяйство и животноводство, незапланированная и плохо управляемая урбанизация, плохое управление отходами и потребительство.

Мы говорим о водном кризисе, когда на самом деле существует кризис знаний о воде и ее использовании. Наше отношение к воде до сегодняшнего дня было катастрофическим. Мы загрязняем ее быстрее, чем природа может ее очистить, и мы не осознаем, что являемся частью ее цикла, гидрологического цикла.

Надлежащее управление водными ресурсами имеет основополагающее значение для достижения социального благополучия, экономического развития и сохранения экологического богатства. В той мере, в какой граждане принимают осознанное участие в управлении водными ресурсами, принимаемые решения будут подразумевать более сильную приверженность, а проекты могут выходить за рамки правительственного цикла.

Вода на Земле

Современные теории о происхождении воды на Земле считают, что часть воды уже находилась в материале, из которого сформировалась планета, и что она вышла на поверхность благодаря вулканической активности. Другая небольшая часть воды могла быть принесена такими телами, как кометы и астероиды.

Геологи и геофизики считают, что в первые миллионы лет существования Земли, когда вулканическая активность была более интенсивной, чем сейчас, были периоды проливных дождей.

С тех пор континенты стали двигаться в своей нынешней конфигурации, по сути, они все еще двигаются, но со скоростью, почти незаметной для человека. Например, известно, что полуостров Баха Калифорния движется со скоростью 3 миллиметра каждый год, ученые полагают, что наступит момент, когда он упадет с континента, но никто из нас, кто живет сейчас, не сможет стать свидетелем этого.

Медленное движение континентов породило взлеты и падения рельефа и привело к появлению великих океанов и первичных морей. Подобно тому, как это происходило сейчас, в те времена, вода испарялась и образовывала облака, они двигались в сторону континентов, и там они сбрасывали свою воду, вода стекала, размывая сушу и образуя реки, многих из которых теперь уже не существует.

Часть эродированного материала, через который дренировалась вода, также была пористой, и именно здесь жизненная жидкость начала фильтровать, образуя огромные водоносные системы. Найденная там вода считается молодой, потому что, хотя ей десятки лет, по сравнению с возрастом Земли, она гораздо более свежая.

Вода на Земле. Кредит изображения: Пиксабай
Вода на Земле. Кредит изображения: Пиксабай

Вода океанов от своего происхождения была богата хлоридами, когда она испарялась, оставляя большую часть своих солей в океане, и благодаря облакам переносилась на континенты, где спускалась в дождевом виде, но с меньшим количеством солей. Таким образом, вода нашей планеты была разделена на пресную и соленую.

Лед, сконцентрированный на Северном и Южном полюсах, сформировался благодаря тому, что солнечная энергия не достигает Земли равномерно, экватор теплее, а полюса холоднее, поэтому в этих местах вода замерзает и накапливается.

Хотя Мексика является очень удачливой страной с точки зрения биоразнообразия и других энергетических ресурсов, с точки зрения воды это прискорбно.

Движение плит, когда формировались континенты, представляло собой то, что называется Альтиплано. Альтиплано - это своего рода возвышенное плато, которое обычно встречается между горами, в случае Мексики, западной части Сьерра-Мадре и восточной части Сьерра-Мадре. Эти орографические условия препятствуют существованию крупных рек, таких как Миссисипи или Амазонка.

Горы также ограничивают поступление дождевых осадков в центр страны, как из Атлантического, так и из Тихого океанов, и способствуют утрате ранее существовавших озерных систем. Кроме того, весьма прискорбным является распределение воды в Мексике, где большие объемы воды сосредоточены на юге, где мало населенных пунктов, и очень мало воды на севере, где есть более крупные города.

Мексиканцы должны знать, откуда берется вода и сколько стоит ее доставка и распределение, чтобы знать, что ее происхождение не божественно и не является бесплатным ресурсом, чтобы власти могли принимать обоснованные решения и требовать более эффективного управления этим ресурсом.

Вода как инструмент астрономических исследований

На склонах вулканов Сьерра-Негра и Пико-де-Оризаба, на границе штатов Пуэбла и Веракрус, расположена Гамма-лучевая обсерватория HAWC (Высокоширотная Черенковская обсерватория).

HAWC. Кредит изображения: Высокоширотная водная обсерватория Черенкова
HAWC. Кредит изображения: Высокоширотная водная обсерватория Черенкова

На высоте 4100 м над уровнем моря эта уникальная обсерватория способна картировать небо в космических лучах и высокоэнергетическом излучении. В отличие от классической концепции зеркал, объективов или антенн, гамма-обсерватория HAWC представляет собой массив из 300 водных контейнеров, каждый высотой 4,5 м на 7,3 м в диаметре, на дне которых установлены ультрачувствительные детекторы света, позволяющие изучать наиболее энергетические насильственные явления во Вселенной.

Астрофизика HAWC

Гамма-лучи (очень высокочастотное электромагнитное излучение) и космические лучи (субатомные частицы, генерируемые астрофизическими процессами) могут быть продуктом наиболее энергетических событий во Вселенной, таких как взрыв сверхновой, столкновение двух нейтронных звезд или эволюция сверхмассивных черных дыр.

Как работает HAWC

Когда эти частицы направляются к нашей планете, они непрерывно бомбардируют верхние слои атмосферы и секунда за секундой взаимодействуют с атомами на своем пути, вызывая каскад частиц, которые постепенно теряют энергию.

Когда этот космический каскад входит в водные резервуары HAWC, образующие его частицы, которые движутся быстрее, чем свет внутри воды, создают эффект, подобный эффекту сверхзвуковой плоскости, производящей на своем пути ударную волну, только в этом случае они производят вместо грохота следы видимого, синего света. Это излучение, называемое черенковским светом (которое дает нам знать, что частицы прошли), измеряется электронными детекторами на дне бака, показывая их существование.

Путем реконструкции сигнала, наблюдаемого всеми резервуарами вместе с помощью электроники и высокоточного компьютерного оборудования, можно определить энергию, направление, время прибытия и характер частицы, ответственной за каскад.

Враги воды

Как изготавливаются контейнеры HAWC

Баки имеют полиэтиленовое покрытие, как и те, что используются в искусственных озерах, которое обогащено углеродом, так что оно более непрозрачно для внешнего освещения. Темнота внутри резервуаров очень важна, так как черенковский свет, производимый частицами, очень тусклый, и чем темнее среда, тем легче будет его обнаружить. Эта особенность также предотвращает рост бактерий.

В то же время HAWC требует очень прозрачной воды, поэтому вода, хранящаяся в резервуарах, должна иметь минимальное затухание 15 метров (как будто в бассейне можно четко видеть человека под водой на расстоянии 15 метров).

Вода в резервуарах HAWC поступает из естественных скважин и от таяния Пико де Оризаба. После того, как вода проложена по трубопроводу, при поддержке существующей трубопроводной сети, она поступает на очистной завод на месте. Там вода обрабатывается углеродными фильтрами и ультрафиолетовым светом, чтобы уничтожить все виды организмов, которые горная вода может принести с собой, такие как бактерии и водоросли. Кроме того, очень важно устранить хлор, так как он является самым большим врагом прозрачности воды.

Почему вода?

Вода дешевая и нетоксичная. Нужно более 200 000 литров, чтобы наполнить каждый из резервуаров. Кроме того, индекс преломления воды дает нам 45-градусный угол для наблюдения за излучением Черенкова, что облегчает наблюдение и обнаружение.

HAWC - это международный проект, в котором принимают участие институты астрономии, физики, ядерных наук и геофизики УНАМ, а также Национальный институт астрофизики, оптики и электроники (INAOE), Национальный совет по науке и технике (CONACyT) и такие институты США, как Национальный научный фонд (NSF), Лос-Аламосская национальная лаборатория и Мэрилендский университет.

Камёканде

Семейство подземных экспериментов Камиоканде использует сверхчистую воду для обнаружения самых скрытых частиц во Вселенной.

В ядре Солнца при температуре 15 миллионов градусов атомы водорода превращаются в гелий. Также создаются позитроны: частицы с положительным электрическим зарядом; часть энергии, которая дает Солнцу его свечение, и оно должно пройти сотни тысяч лет от ядра, чтобы достичь верхней атмосферы, которую мы видим невооруженным глазом, и оттуда пробиться через космическое пространство к планетам; одновременно создаются триллионы триллионов частиц в секунду, известные как нейтрино.

Уравнения, вытекающие из теорий, предсказывающих количество нейтрино, образовавшихся на Солнце, были подвергнуты испытанию в 1960-х годах. С тревогой было обнаружено, что только треть ожидаемых нейтрино были обнаружены. Гигантские детекторы со сверхчистой водой помогут решить головоломку.

Нейтрино - это атомные частицы без электрического заряда. Они взаимодействуют практически без влияния остальных частиц во Вселенной. Отсутствие взаимодействия между нейтрино и другими частицами делает их очень трудно обнаружить.

Чуть более чем в 100 километрах от Токио (Япония), на горной окраине небольшого городка Камиока, в эксплуатацию введена глубокая заброшенная шахта; результаты их новой профессии меняют наше понимание Вселенной. Тысяча метров под поверхностью, внутри огромного цилиндра высотой 41 метр на 39 метров в диаметре, размером почти с половину футбольного поля; с 50 тысячами тонн сверхчистой воды работает детектор, обнаруживающий самые скрытые частицы, идущие из космоса.

Супер-Камиокандэ. Фотография: Юсуке Кавасаки через Flickr
Супер-Камиокандэ. Фотография: Юсуке Кавасаки через Flickr

Глубина шахты помогает только тем частицам, которые не взаимодействуют с остальными атомами в атмосфере и на земной поверхности. Чтобы разгадать загадку 66% пропавших нейтрино, предсказанных теорией, в 1980-х годах была спроектирована и построена гигантская яма с 3000 тонн сверхчистой воды Kamioka (Эксперимент по распаду нуклонов Kamioka), которую несколько лет спустя заменила Super Kamiokande, в которой хранится 50 000 тонн воды.

Сверхчистая вода должна отвечать нескольким требованиям: она должна регулировать распространение бактерий, частиц, органических, металлических и анионных загрязнителей (электрически заряженных частиц). Вокруг воды находятся тысячи фотоумножителей: приборы, предназначенные для обнаружения очень слабых вспышек света и умножения их яркости в миллионы раз для ее изучения.

Свет движется в вакууме со скоростью 300 000 километров в секунду. Нейтрино, созданные в солнечном ядре, движутся с той же скоростью. В воде, которая плотнее вакуума, свет движется со скоростью 225 000 километров в секунду. Поэтому, когда нейтрино входит в воду, оно взаимодействует с электроном или ядром атома воды и генерирует частицу, которая излучает свет. Это световое явление известно как черенковское излучение. Около 7 миллиардов нейтрино, генерируемых Солнцем каждую секунду, проходят через Землю, на квадратный сантиметр. Поскольку нейтрино редко взаимодействуют с другими частицами, требуются тысячи тонн сверхчистой воды, состоящей из миллиардов квадриллионов атомов и электронов, чтобы создать несколько вспышек, яркость которых будет умножена и записана.

Именно так эксперименты семейства Камиоканде помогли разгадать загадку неуловимых солнечных нейтрино. Во-первых, уравнения, полученные из теории, были доказаны верными. Кроме того, нейтрино было присвоено значение массы, ранее считавшееся нулевым. Было обнаружено, что существует три типа нейтрино (тау, мюон и электрон) и что они могут изменять тип с электронного нейтрино, генерируемого в ядре Солнца, на два других типа, тем самым решая проблему дефицита солнечного нейтрино.

Кроме того, были обнаружены нейтрино, образовавшиеся в результате взрыва далекой звезды - сверхновой 1987а, за тысячи световых лет от Солнца. Наконец, существовавшая загадка, подобная солнечным нейтрино, была решена с помощью нейтрино земной атмосферы. Эксперимент Масатоши Кошибы принес ему Нобелевскую премию по физике 2002 года. Таким образом, вода играет важную роль как исследовательский инструмент для открытия одной из самых скрытых частиц во Вселенной.


Источник: Ночевые часы Эстреллы, с информацией от д-ра Рамиро Родригеса Кастильо, научного сотрудника Института геофизики УНАМ, интервью с д-ром Магдаленой Гонсалес, сокоординатором по научной эксплуатации обсерватории HAWC, и Комитетом по коммуникации.