АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2008, том 42, № 2, с. 148-152
УДК 523.46-87
О ВОЗМОЖНОСТИ КРИОГЕННОГО ГРЯЗЕВОГО ВУЛКАНИЗМА
НА ТИТАНЕ
© 2008 г. В. А. Алексеев
Государственный научный центр РФ (ТРИНИТИ), Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований, Троицк, Московской области Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН,
Троицк, Московской области Поступила в редакцию 05.02.2005 г.
Сопоставление изображений поверхности Титана, полученных зондом Huygens, с фотографиями района грязевого вулканизма на Земле (Таманский п-в на Кавказе) выявляет ряд одинаковых геоморфологических особенностей. Поэтому естественно предположить наличие на Титане криогенной грязево-вулканической активности. Жидкий метан Титана может играть в ее обеспечении ту же роль, какую играет на Земле газ метана. Газгидраты (гидраты углеводородных газов) и водяной лед оказываются аналогом земных глинистых брекчий. Заметим, что газгидраты стабильны в "P-T условиях" Титана. Присутствие на Титане криогенной грязево-вулканической деятельности дает объяснение: 1) общему виду ландшафта в месте спуска зонда Huygens; 2) цепи светлых "островков", замеченной при спуске зонда, - она может быть маркером линии тектонического разлома; 3) конусности холма на первом плане снимка с высоты 8 км; 4) округлой галькоподобной форме небольших твердых блоков на поверхности Титана; 5) присутствию длинных белых полосок, каждая из которых как бы расходится из точки на одном из своих концов (такую картину может порождать метановый ветер, относящий продукты извержения газового вулкана от его кратера).
PACS: 96.12.-a
ВВЕДЕНИЕ
Первая в истории посадка зонда Huygens на Титан, спутник Сатурна, есть выдающееся достижение Европейского космического агентства (ESA), поскольку Сатурн находится за поясом астероидов. Аппаратура, установленная на зонде, позволила получить целую серию качественных снимков поверхности Титана, изучить состав атмосферы, определить температуру поверхности и пр.
Мы рассмотрим здесь только те снимки сайта ESA, которые имеют отношение к геоморфологическим процессам на Титане (ESA, 2005). Изображения на них можно сравнить с фотографиями грязевых вулканов на Земле. Несмотря на огромную разницу свойств Земли и Титана, можно найти сходные черты проявления тектонической активности разломов. Формы геологических структур на Титане напоминают формы некоторых типов грязевых вулканов на Земле. В обоих случаях движущей силой структурообразования являются потоки метана. На Земле при извержениях грязевых вулканов на поверхность выносится глиноподоб-ная брекчия, которая формирует грязевулканиче-скую постройку. На Титане структуры построек вместо брекчии могут создавать гидраты углеродных газов, продукты их разложения: метан, водный лед или лед двуокиси углерода. Устойчивость таких соединений попадает в диапазон температур и давлений во внутренних частях Титана.
Как известно, газгидраты представляют собою нестойкие химические соединения молекул воды и газа, внешне они похожи на обычный лед или снег; один кубический метр газгидрата может содержать 200 и более кубических метров метана (Makogon, 1997).
Мы попытаемся сопоставить характерные динамические процессы, общие для Земли и Титана. Сравнивая снимки последствий извержений грязевых вулканов на Таманском полуострове, которые мы наблюдали в 1996-2004 гг., со снимками соответствующих структур на поверхности Титана, можно предположить, что механизм образования этих структур, аналогичный земному, действует и на Титане.
ЧТО УВИДЕЛ ЗОНД HUYGENS НА ТИТАНЕ
Согласно данным зонда Huygens (ESA, 2005), измеренная температура поверхности Титана составляет 93.65 К, давление атмосферы у поверхности - около 1.45 атм. Основные газы атмосферы Титана - азот и метан. Указанная температура свидетельствует о том, что метан должен находиться в жидком состоянии.
На снимках поверхности Титана видны светлые и темные области. Светлые области - это гребни хребтов, состоящих из водного льда, а
темные - сухие русла, которые могут заполняться жидким метаном во время дождей.
Как сообщено на сайте, зонд опустился на увлажненный грунт, пропитанный жидким азотом и состоящий из смеси водного и углеводородного льда.
Заметим, что реально грунт может состоять из смеси водного льда и газгидрата (элементарная ячейка которого состоит из шести молекул воды с молекулой метана внутри). В самом деле, газгид-рат имеет широкую низкотемпературную область устойчивости от 50 до 350 К при давлениях от 2 Па до 1.7 ГПа (Мак^оп, 1997). По этим параметрам видно, что газгидраты могут занимать обширную область как на поверхности, так и на глубине на Титане.
Если верхние слои Титана состоят в основном из газгидратов, то в результате приливных сил должна образоваться система трещин и разломов. Поскольку температура с глубиной возрастает, через трещины с больших глубин на поверхность должны проникать газы и жидкости. Расчеты показывают, что на глубине 300 км на Титане могут находиться жидкая вода, 15% раствор аммиака, а также органические соединения; давление на поверхности Титана на 60% больше, чем на Земле (Ксанфомалити, 2005).
На Земле газгидратные залежи создают своеобразные покрышки над газовыми и нефтяными месторождениями. Через газгидратную покрышку пробиваются метановые факелы, особенно часты они на дне морей. Впервые явление такого рода было исследовано в Охотском море в 1986 г. в ходе совместного рейса институтов Океанологии и Атомной энергии. В месте выхода метанового факела над газгидратной залежью было обнаружено большое количество тяжелых углеводородов, которых не было вне зоны действия этого источника (Алексеев и др., 1987). Появления подобных газ-гидратно-метановых факелов с последующим образованием газгидратных вулканов можно ожидать и на Титане.
Соответственно, вдоль разломов и трещин может выходить жидкий метан с повышенной температурой, вынося на поверхность газгидраты, которые на начальной стадии образуют криогенные газгидратные грифоны, подобные по структуре грязевым вулканам. Вероятно, в потоке метана газгидраты могут разлагаться и выпадать в виде водного льда, льда двуокиси углерода и жидкого метана. Вдоль разлома возникают цепи таких структур - см. рис. 1, где на темной равнине Титана выделяется цепь белых островков.
На земле при длительной деятельности грязевого вулкана из брекчии вырастают большие конусы, высотой более 100 м1. На рис. 2 показан гря-
1 Брекчия - крупнообломочная горная порода из сцементированных фрагментов (в земном случае это мелкодисперсные глиноподобные образования, характерные для грязевого вулканизма).
Рис. 1. Вид на поверхность Титана с высоты 8 км.
Рис. 2. Грязевый вулкан Ахтанизовский, Таманский полуостров.
зевый вулкан Ахтанизовский на Таманском полуострове с потоками грязевулканической брекчии, извергавшейся в разное время. На Титане похожая структура видна на снимке рис. 3, где изображена круговая панорама, полученная с высоты 8 км. Структуру можно интерпретировать как криогенный газгидратный вулкан со светлыми натеками
водяного льда и газгндратов: при извержении такого вулкана потоки жидкого метана выносят из кратера лед и газгидраты, которые потом остаются в виде белых натеков.
В недрах грязевых вулканов потоки жидкого метана, несущие размельченную брекчию, обрабатывают более крупные куски брекчии, мешающие движению, из-за чего последние стачиваются, теряют неровности и все больше приобретают форму округлых бомб, удлиненных в направлении потока. При извержениях эти "галечноподобные" образования выносятся на поверхность. На рис. 4а показаны ксенолиты грязевого вулкана Карабетова Гора (Таманский п-в) после извержения в июне 2004 г. На рис. 46 представлены округлые образцы в виде дис-
Рис. 4. Ксенолиты извержения в июне 2004 г. грязевого вулкана Карабетова Гора (а); образцы в виде дисков с грязевого вулкана на берегу Черного моря в районе пос. Волна (б).
ков с грязевого вулкана с берега Черного моря в районе пос. Волна (извержение было в апреле 2002 г.). Изучая ксенолиты, мы обнаружили, что в трещинах округлых бомб иногда встречается пленка кристаллов, содержащих металлы из осевших аэрозолей (Алексеев, Алексеева, 2004). При исследовании состава субмикронных аэрозолей на грязевых вулканах нами наблюдались очень высокие коэффициенты обогащения элементов (высокие отношения наблюдаемой концентрации того или иного элемента к ее кларковому значению на Земле). Для некоторых элементов значения коэффициентов обогащения достигали нескольких миллионов (Alek-seev, Alekseeva, 1992). Конденсация слоя кристаллов в трещинах ксенолитов свидетельствует о длительном пребывании этих образцов в метановом потоке с аэрозолями, обогащенными металлами. Такой же эффект мы наблюдали в трещинах не только на ледниках Камчатки (Алексеев, Алексеева, 1989), но и при извержениях грязевых вулканов Таманского полуострова. Можно предположить, что при наличии трещин во льдах Титана там будет наблюдаться тот же эффект обогащения рассеянными металлами за счет аэрозолей на стенках трещин.
На рис. 5 изображен фрагмент поверхности Титана, снятый с малого расстояния примерно с
Рис. 5. Снимок поверхности Титана с малого расстояния 85 см.
Рис. 6. Снимок поверхности Титана с высоты 8 км с шлейфом извержения криогенного газгидратного вулкана.
85 см. Округлые камни, состоящие из водного льда и углеводородов - один из которых имеет длину 15 см, - как считают руководители проекта, вероятно, были обкатаны потоком жидкого метана или этана. Мы думаем, эти камни были вынесены из кратера газгидратного вулкана при извержении - это видно по сколу ледяного образца слева на снимке, говорящему об ударе уже после приобретения округлой формы. Разный цвет ледяных камней может быть связан с разным содержанием газгидратов и других примесей во льду.
Если округлые льды вынесены с больших глубин, как ксенолиты на Земле, то они могут нести информацию о составе органических соединений и наличии микроорганизмов на глубинах Титана, имеющих более высокую температуру. В нашей работе (Alekseev, Alekseeva, 1992) были проведе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.