Прогноз некоторых свойств гипотетической жизни на Титане.

[vsevolodson]

Проблема атмосферного азота.

На самом деле, первое что бросается в глаза искушённому астрофизику на Титане - это азотная атмосфера, по массе превосходящая земную. Молекулярный азот "не выгоден" термодинамически и первоначально входит в состав планет и спутников в виде аммиака в различных количествах. Молекулярный азот в атмосфере планеты накапливается либо в результате фотолиза первичного аммиака (Венера, Марс, Тритон), либо окислением последнего (Земля).

Ни один из этих процессов не может объяснить азотную атмосферу Титана. Фотолиз исключается по проичине того, что аммиак на Титане будет находиться в твёрдом состоянии на поверхности, куда солнечные лучи не достигают. В тоже время, согласно анализу соотношения изотопов азота, Титан уже потерял примерно на порядок больше азота, чем находится в атмосфере в настоящий момент. Другими словами, на Титане действует источник молекулярного азота, восполняющий плотную атмосферу в условиях высоких темпов потери атмосферы.

Однако предположительный криовулканизм Титана является источником воды, аммиака и метана (NH₄OH, H₂O, CH₄). Процесс выделения молекулярного азота для восполнения атмосферы является неочевидным для условий Титана. То есть, с одной стороны мы имеем "пропажу" водорода из извергающегося материала и с другой - выделение молекулярного азота в атмосферу. Косвенно подтверждается это также и тем, что согласно анализу поверхности зондом "Гюйгенс", поверхность слагают преимущественно водяной лёд и углеводороды. Об аммиаке сведений нет.

Содержание водорода в атмосфере Титана.

Предложенная астрофизиками схема "водородного" дыхания имеет серьёзные недостатки. Во-первых, темпы поступления молекулярного водорода из верхних слоёв атмосферы (где он образуется при помощи фотолиза метана) заведомо ниже на порядки, чем темпы осаждения ненасыщенных и сложных углеводородов. Причины просты - молекулярный водород имеет более низкую плотность, чем азотно-метановая атмосфера Титана (т.е. водород в условиях холода и слабой диффузии будет весьма эффективно "всплывать" с высоты более 80 км ещё выше, но никак не поступать к поверхности). Кроме того, гравитация Титана недостаточна для удержания водорода в атмосфере и водород будет беспрепятственно покидать её. "Исчезновение" водорода у поверхности Титана является аргументом не в пользу водородного "дыхания" гипотетических форм жизни на Титане, так как у поверхности спутника водороду взяться просто неоткуда.

Учитывая более высокие темпы потери водорода, ожидаемо, что ненасыщенные и сложные углеводороды скапливались бы на поверхности Титана и образовали бы толстый слой за время порядка миллиарда лет. Однако согласно данным зонда "Гюйгенс" поверхность Титана в значительной мере покрыта водяным льдом. Полностью скрывающего лёд толстого слоя осадочных углеводородов, образованных в процессе фотолиза, не наблюдается. Это ещё один косвенный признак наличия процесса "исчезновения" непредельных углеводородов с поверхности Титана.

Циановодородное "дыхание".

Молекулярный азот в атмосфере, а также "исчезновение" непредельных углеводородов с поверхности спутника объяснить всё же требуется, несмотря на недостатки предположения о "водородном дыхании".

Среди образуемых в процессе фотолиза веществ значительную долю также занимает синильная кислота (HCN). Это вещество практически беспрепятственно осаждается на поверхность Титана. Согласно имеющимся данным, содержание растворённого циановодорода в жидких озёрах Титана весьма высоко - 2..3 %. Следует заметить, что за пределами жидких углеводородных озёр циановодород будет на поверхности исключительно в твёрдом виде, малопригодном для "употребления". Но на дне озёр, в условиях источников вероятного извержения "тёплой" жидкой смеси воды и аммиака из недр, возможна следующая цепочка реакций:

NH₄OH + HCN → NH₄CN↓ + H₂O↓ + Q
NH₄CN → ... → CH₄↑ + N₂↑ - Q

Реакция в итоговой форме является экзотермической (~ 4,5 МДж на 1 килограмм продуктов реакции) и может быть использована гипотетическими обитателями озёр Титана для получения энергии. В свою очередь, полученная энергия может быть использована для "переваривания" углеводородов (аналогично процессам метаболизма с участием аминокислот).

Выводы.

• Предложенная в июне 2010 г схема "водородного дыхания" не объясняет наблюдательные факты, такие как генерация молекулярного азота и "исчезновение" непредельных углеводородов с поверхности планеты.
• Наиболее вероятна жизнь с использованием энергичной синильной кислоты на дне титановых "озёр" и "морей", при условии наличия там "тёплых" криовулканических источников жидкого гидроксида аммония.

[Kweni]

Редкостный набор совершенно ошибочных от начала до конца утверждений.

Не соответствующие действительности сведения (например, газы в атмосфере Титана не «всплывают», она хорошо перемешивается вплоть как минимум до высоты 250 км, то есть до верхней границы стратосферы.).
В этом отношении все атмосферы одинаковы, различается только высота, над которой газы начинают частично разделяться. Но и в этом случае неправильно говорить о «всплытии», просто с ростом высоты концентрация лёгких газов будет повышаться, а тяжёлых – падать, но будут присутствовать и те, и другие.

Ссылка на устаревшие данные (работа 2004 года, выполненная до прибытия на Титан Кассини с Гюйгенсом).

Логические ошибки в рассуждениях. Автору требуются метановые озёра с растворённым циановодородом, чтобы выделять из него азот и создавать плотную азотную атмосферу – но без плотной азотной атмосферы не будет ни озёр (для существования жидкости необходимо соответствующее атмосферное давление) ни циановодорода (который сам образуется из азота и метана под действием ультрафиолета).

Незнакомство с основами геологических процессов.

поверхность Титана в значительной мере покрыта водяным льдом. Полностью скрывающего лёд толстого слоя осадочных углеводородов, образованных в процессе фотолиза, не наблюдается.

Обычная ветровая или жидкостная эрозия приводит как раз к тому, что в одних местах накапливается толстый слой осадков, а в других его совсем нет.

Странные представления об астрофизиках.

Предложенная астрофизиками схема "водородного" дыхания...
Исчезновение" водорода у поверхности Титана является аргументом не в пользу водородного "дыхания" гипотетических форм жизни на Титане

Учёные не строят длинных цепочек маловероятных предположений, таких как «а вдруг на Титане есть жизнь –> а вдруг она не в водно-аммиачном океане под толстой ледяной корой, а как–то приспособилась к существованию в углеводородных озёрах на поверхности –> а вдруг в этих озёрах она вообще дышит водородом  –> а вдруг это повлияет на распределение водорода в атмосфере Титана». Это больше похоже на телепередачу, снятую не очень грамотными журналистами.

Неучёт деталей физико-химических процессов

Но на дне озёр, в условиях источников вероятного извержения "тёплой" жидкой смеси воды и аммиака из недр, возможна следующая цепочка реакций:

Жидкая вода для метанового озера – всё равно что раскалённая лава для земного океана. Вода застынет, углеводороды вскипят. Живые огранизмы, если они там будут (в чём я сильно сомневаюсь), не выдержав непривычного диапазона температур, подохнут.

[vsevolodson]

Не соответствующие действительности сведения (например, газы в атмосфере Титана не «всплывают», она хорошо перемешивается вплоть как минимум до высоты 250 км, то есть до верхней границы стратосферы.).

"всплывает - не всплывает" - это качественное утверждение, а не количественное
важно то, что доля освободившегося водорода, поступающего в нижние слои атмосферы, по сравнению с долей образовавшихся непредельных углеводородов будет слишком мала

Ссылка на устаревшие данные (работа 2004 года, выполненная до прибытия на Титан Кассини с Гюйгенсом).

спасибо, исправлю
однако опять же, суть остаётся прежней - атмосфера Титана теряется, причём кроме водорода, теряется и азот
видимо здесь Кассини-Гюйгенс ничего нового не сказал

Логические ошибки в рассуждениях. Автору требуются метановые озёра с растворённым циановодородом, чтобы выделять из него азот и создавать плотную азотную атмосферу – но без плотной азотной атмосферы не будет ни озёр (для существования жидкости необходимо соответствующее атмосферное давление) ни циановодорода (который сам образуется из азота и метана под действием ультрафиолета).

изначально атмосфера могла состоять из метана и небольших количеств азота из клатратов
первичный молекулярный азот атмосферы не исключается, дело в другом - существующие гипотезы не в состоянии объяснить количество азота

Обычная ветровая или жидкостная эрозия приводит как раз к тому, что в одних местах накапливается толстый слой осадков, а в других его совсем нет.

верно, здесь моя ошибка, я буквально только что об этом подумал сам
однако это означает, что проблема сохраняется только с генерацией атмосферного азота
"исчезновение" же ацетилена и других углеводородов у поверхности вполне можно списать на растворение и осаждение

Учёные не строят длинных цепочек маловероятных предположений, таких как «а вдруг на Титане есть жизнь –> а вдруг она не в водно-аммиачном океане под толстой ледяной корой, а как–то приспособилась к существованию в углеводородных озёрах на поверхности –> а вдруг она вообще дышит водородом  –> а вдруг это повлияет на распределение водорода в атмосфере Титана». Это больше похоже на телепередачу, снятую не очень грамотными журналистами.

извиняйте, но это мимо

[Kweni]

изначально атмосфера могла состоять из метана

Не-а, не могла. Солнце вначале имело только 75% современной светимости, Сейчас на поверхности Титана -179 градусов, а у метана температура плавления -182,5. Достаточно совсем небольшого охлаждения, чтобы всё замёрзло, и осталось каких–нибудь жалких 1/1000 мм ртутного столба от сублимации с твёрдой поверхности, как на Плутоне.

проблема сохраняется только с генерацией атмосферного азота

Проблемы нету. Считается, что азотная атмосфера образовалась в ходе разложения аммиака и улетучивания в космос водорода.
Во-первых, сейчас ультрафиолет поглощается метаном. Если вначале метана в атмосфере не было, то ультрафиолет свободно достигал поверхности (азот прозрачен для ультрафиолета, разлагающего аммиак). Поверхность перемешивалась ударами метеоритов, подставляя всё новые порции водноаммиачного льда под облучение.
Во-вторых, при ударах более крупных тел вещество в месте удара обращается в пар. Когда давление пара уже спадает, а температура ещё остаётся достаточно высокой, аммиак быстро разлагается. Аммиак стабилен при высоком давлении и низкой температуре, а при высокой температуре и низком давлении термодинамически более стабилен N2.

[vsevolodson]

Солнце вначале имело только 75% современной светимости, Сейчас на поверхности Титана -179 градусов, а у метана температура плавления -182,5. Достаточно совсем небольшого охлаждения, чтобы всё замёрзло, и осталось каких–нибудь жалких 1/1000 мм ртутного столба от сублимации с твёрдой поверхности, как на Плутоне.

низкой температуре поверхности Титан обязан антипарниковому эффекту как раз по причине толстой и непрозрачной атмосферы

Проблемы нету. Считается, что азотная атмосфера образовалась в ходе разложения аммиака и улетучивания в космос водорода.
Во-первых, сейчас ультрафиолет поглощается метаном. Если вначале метана в атмосфере не было, то ультрафиолет свободно достигал поверхности (азот прозрачен для ультрафиолета, разлагающего аммиак).

1) вымерзание метана под вопросом, так как вымерзая, метан лишает антипарникового эффекта атмосферу Титана
2) данные распределения изотопов азота говорят о том, что масса азотной составляющей атмосферы в прошлом была в разы больше и что азот постоянно теряется

Поверхность перемешивалась ударами метеоритов, подставляя всё новые порции водноаммиачного льда под облучение.
Во-вторых, при ударах более крупных тел вещество в месте удара обращается в пар. Когда давление пара уже спадает, а температура ещё остаётся достаточно высокой, аммиак быстро разлагается. Аммиак стабилен при высоком давлении и низкой температуре, а при высокой температуре и низком давлении термодинамически более стабилен N2.

об этом уже говорилось. ударов комет и метеоритов недостаточно, оценки существуют. вы приплетаете это потому что сами же видете, что фотолиз аммиака тут сомнителен

ЗЫ
кстати, кроме метана ещё одной составляющей первичной атмосферы могли быть инертные газы и угарный газ

[Kweni]

низкой температуре поверхности Титан обязан антипарниковому эффекту как раз по причине толстой и непрозрачной атмосферы

Видимо, вы не сравнивали температуры поверхности Титана и остальных спутников Сатурна, иначе было бы заметно, что на Титане теплее, иногда даже на несколько десятков градусов. Парниковый эффект нагревает поверхность Титана на 12 градусов:

Titan’s present surface temperature is elevated above the radiative equilibrium
value by about 12 K, due to the greenhouse effect from the combined effect of
the collision-induced infrared opacity of nitrogen, methane and hydrogen and the
radiative properties of the haze layers.

Так называемый «антипарниковый эффект» является просто ослаблением действующего парникового в силу тех или иных причин.

об этом уже говорилось. ударов комет и метеоритов недостаточно

Исходя из распространённости азота в солнечной системе, доля аммиака доходила в первичном льду Титана до 15%. Даже с учётом потерь, всего 10 попаданий 10-километровых астероидов достаточно, чтобы снабдить Титан азотной атмосферой, куда более массивной, чем современная. А с учётом аммиака, содержащегося в самих ледяных астероидах, количество получается даже вдвое больше.

кстати, кроме метана ещё одной составляющей первичной атмосферы могли быть инертные газы

Вообще–то именно малое количество инертных газов в атмосфере Титана привело учёных к мнению, что азот там содержался вначале в форме аммиака. Потому что молекулярный азот и аргон, как подсчитано учёными, конденсировались в протопланетном облаке совместно. Если удастся доказать, что вначале на Титане было много инертных газов, это автоматически означает что атмосфера Титана изначально была азотной, давлением атмосфер примерно 8, а не 1,5, как сейчас, и вдобавок со сплошным океаном из жидкого азота на поверхности.

[vsevolodson]

Даже с учётом потерь, всего 10 попаданий 10-километровых астероидов достаточно, чтобы снабдить Титан азотной атмосферой, куда более массивной, чем современная. А с учётом аммиака, содержащегося в самих ледяных астероидах, количество получается даже вдвое больше.

массаа атмосферы Титана 6,19*10¹⁵ тонн.
а масса десятка ваших астероидов (с плотностю воды) будет более чем на 3 порядка меньше

остаётся фотолиз
но почему же тогда тот же фотолиз не создал кислородных атмосфер у Ганимеда и Каллисто??

[vika vorobyeva]

но почему же тогда тот же фотолиз не создал кислородных атмосфер у Ганимеда и Каллисто??

Собственно, создал.
Ганимед обладает эфемерной кислородной атмосферой, а Каллисто - атмосферой из углекислого газа.
Обе атмосферы очень тонкие (интегральная плотность ~10¹⁴-10¹⁵ молекул на кв.см), но они есть.

[vsevolodson]

я немного не это имел ввиду. с таким же успехом кислородная атмосфера и на Титане есть
Ганимед и Каллисто массивнее Титана, солнечной радиации - больше
можно было бы ожидать кислородной атмосферы, сравнимой по массе с титановой

[Kweni]

масса атмосферы Титана 6,19*1015 тонн.
а масса десятка ваших астероидов (с плотностю воды) будет более чем на 3 порядка меньше

На такое невнимание к моим словам остаётся только повторить: материал самого Титана тоже участвует в столкновении и поставляет азот. Масса же приповерхностного слоя Титана толщиной 100 км, перерабатываемая астероидными столкновениями, намного больше, чем жалкие 6,19*10^15 тонн.

А теперь ваша очередь объяснять, откуда на Титане в рамках вашей гипотезы взялось порядка 10^15 тонн циановодорода.

можно было бы ожидать кислородной атмосферы, сравнимой по массе с титановой

Кстати, разница между поведением азота и кислорода любопытна.
– вода устойчивее к фотолизу, чем аммиак и метан. Разложение метана в атмосфере Титана хорошо заметно, а мельчайшие ледяные частички кольца Е пока ещё превосходно сохранились.
– Продукт разложения воды – молекулярный кислород –  может расщепляться ультрафиолетом на отдельные атомы. Молекула азота намного устойчивее. Атом кислорода почти в 2 раза легче, чем молекула азота, поэтому азотной атмосфере сохраниться от улетучивания в космос намного проще, чем кислородной.
– вода также намного устойчивее аммиака к нагреванию.
– фотолиз воды может быть обратимым – если водород сразу не улетучился, он может опять соединиться с кислородом. Аммиак же и метан, разложившись, назад уже фотолизом не восстанавливаются. Собственно, это одна из причин, почему вода устойчивее к фотолизу.

[vsevolodson]

На такое невнимание к моим словам остаётся только повторить: материал самого Титана тоже участвует в столкновении и поставляет азот. Масса же приповерхностного слоя Титана толщиной 100 км, перерабатываемая астероидными столкновениями, намного больше, чем жалкие 6,19*10^15 тонн.

тогда бы достаточно было объяснения криовулканизмом

А теперь ваша очередь объяснять, откуда на Титане в рамках вашей гипотезы взялось порядка 10^15 тонн циановодорода.

из метана и азота. углерод и азот посредством циановодорода циркулируют и никуда не теряются

[vsevolodson]

За объяснение фотолиза - спасибо. Считаю ваши аргументы весьма убедительными.

[L_Pt]

Проблема атмосферного азота.

На самом деле, первое что бросается в глаза искушённому астрофизику на Титане - это азотная атмосфера, по массе превосходящая земную. Молекулярный азот "не выгоден" термодинамически и первоначально входит в состав планет и спутников в виде аммиака в различных количествах. Молекулярный азот в атмосфере планеты накапливается либо в результате фотолиза первичного аммиака (Венера, Марс, Тритон), либо окислением последнего (Земля).

В качестве рабочей гипотезы: у Титана вроде бы как предполагают массивное силикатное ядро. Которое обязано содержать немало оксида железа FeO.
Последнее на границе фаз силикатное ядро/горячий водо-аммиачный лед вполне могло окислять аммиак:
3FeO + 2NH3 = 3Fe + N2 + 3H2O

Ну и азот криовулканами выносился на поверхность.

PS

NH4OH + HCN → NH4CN↓ + H2O↓ + Q
NH4CN → ... → CH4↑ + N2↑ - Q

Реакция в итоговой форме является экзотермической (~ 4,5 МДж на 1 килограмм продуктов реакции)

А как вы посчитали энергетику? Я так прикидывал, у меня ну совсем другие цифры получились.

[vsevolodson]

еретическим способом немного. взяв стандартные энтальпии образования

и вправду, освободившийся азот ведь не будет реагировать с веществами мантии и в результате может попадать на поверхность...
такое объяснение выглядит куда более реалистичным, чем фотолиз и/или кометы...

вывод напрашивается один. для объяснения ряда явлений "магия" вроде тамошних форм жизни не требуется пока что

[arduan]

 Вот  http://lenta.ru/news/2011/05/09/titan/  откуда азот 
А криовулканов  http://lenta.ru/news/2011/04/11/novolcanoes/  не было.

[vsevolodson]

нет, так дела не делаются. британские учоные вкупе с прессой наделяют и лишают Титан криовулканами, озёрами и экзопланеты жизнью - в среднем раз в неделю

[L_Pt]

И в любом случаи это лишь одно из объяснений «"подозрительных" деталей ландшафта». Современного Титана. 

[vsevolodson]

даже точнее лишь одной выбранной детали ландшафта. доказательства что все выходы "коренных" пород являются не-криовулканическими - там нема

[самоучка астроном]

изначально атмосфера могла состоять из метана

Не-а, не могла. Солнце вначале имело только 75% современной светимости, Сейчас на поверхности Титана -179 градусов, а у метана температура плавления -182,5. Достаточно совсем небольшого охлаждения, чтобы всё замёрзло, и осталось каких–нибудь жалких 1/1000 мм ртутного столба от сублимации с твёрдой поверхности, как на Плутоне.

вообще то у титана атмосфера состоит большей частью из азота (примерно на 95%) а метана и других газов всего 5% . у азота температура плавления -210С а кипения -195С . так что не такое уж небольшое охлаждение нужно чтоб титан лишился атмосферы

[Klapaucius]

Титан к тому же обращён к Сатурну одной стороной. Следовательно, в первые миллионы или десятки миллионов лет (или сколько там) тормозился. Были большие приливные силы. И существенно большая температура на поверхности, чем сейчас (из-за большей активности недр хотя бы). Так что аргумент, что Солнце было в те времена менее ярким - неубедителен. Может на какое-то время атмосфера даже и вымерзала, но потом.