Всем добрый день. Добро пожаловать в Forsyth Space Group. Сегодня нам повезло — с нами Марьон, и она расскажет, каким образом изучение обитаемости Земли помогает понять обитаемость других планет. Марьон, слово вам. Спасибо, Лидия. Очень приятно выступать перед вашей группой и спасибо за организацию встречи. Немного о себе: я занимаюсь аспирантурой в Университете Мэриленда, провожу исследования совместно с NASA и центром Годдарда. Скоро расскажу подробнее. Если у вас будут вопросы о моей работе или аспирантуре — с удовольствием отвечу. Позвольте поделиться презентацией. Сегодня я расскажу о наших полевых исследованиях и лабораторных моделях, которые могут помочь понять обитаемость ледяных океанических миров.
Главная тема моей работы — астробиология — изучение происхождения, эволюции и распространения жизни во Вселенной. Это очень широкое направление, в рамках которого нас интересует поиск мест, пригодных для жизни, за пределами Земли. На сегодняшний день у нас есть только один пример живой планеты — Земля. Исходя из этого, мы ищем условия, при которых жизнь могла бы существовать, в том числе в пределах нашей системы. Мы полагаемся на несколько ключевых компонентов: наличие воды, биологических элементов и доступной химической энергии — то, что жизненно важно на Земле. Одним из таких объектов являются океанические миры — тела с наличием жидкого океана под ледяной корой. Мы считаем, что подобные миры существуют в нашей Солнечной системе, основываясь на данных космических аппаратов. Например, спутник Сатурна Энцеладус.
На слайде показан его разрез. Согласно данным миссии Cassini, под толщей километров ледяного покрова скрывается глобальный океан жидкой воды. Это очень интересно, поскольку океаны на Земле — ключевые места для жизни. Хотя лед препятствует солнечному излучению и доступу кислорода, существует гипотеза, что гидротермальные источники и геотермальные процессы могут обеспечивать химическую энергию, способную поддерживать жизнь в этих условиях. Благодаря таким данным НАСА рассматривает эти миры как перспективные для изучения. Это стимулирует лабораторные исследования, моделирование и полевые работы на Земле, чтобы понять основные научные задачи и параметры, которые будущие космические миссии могли бы исследовать. Первый проект, о котором я расскажу, связан с арктическими радарами. Эти данные могут быть полезны для понимания спутника Юпитера — Европы.
Europa — спутник Юпитера, значительно меньше Земли, но, по данным миссии Galileo, в нем может быть в два раза больше жидкой воды, чем на Земле. Это подтверждают измерения плотности и магнитного поля, предполагающие под поверхностью существование глобального жидкого океана. Европа — очень интересная цель, поскольку на Земле океаны изобилуют жизнью, и если на Европе действительно есть такой океан, то она становится перспективной для поисков жизни. В октябре 2024 года НАСА запустило миссию Europa Clipper, которая уже в пути и проведет орбитальные исследования спутника с целью поиска признаков обитаемости. Теперь о проведённой нами полевой работе. На ледяных океанических мирах, таких как Европа, есть несколько километров льда над океаном. Иллюстрация показывает слоистую структуру: сверху лед, а под ним — жидкий океан. Внутри льда могут существовать карманы рассола — концентрированных соленых жидкостей.
Благодаря повышенной концентрации солей в жидкой воде снижается температура замерзания, что позволяет этим локальным жидкостям оставаться в стабильном состоянии и потенциально поддерживать жизнь. Также интересен интерфейс «лед — океан» — там происходит переход фаз, концентрируются питательные вещества, возможны редокс-реакции, которые создают химическую энергию для организмов. Миссия Europa Clipper оборудована радаром, который будет исследовать как поверхностные слои льда, так и этот ледово-океанический интерфейс. Чтобы лучше понять, как можно интерпретировать радарные данные, мы отправились в полевой поход в арктическое море Бофорта на морской лед. Этот регион покрыт льдом большую часть года. Мы использовали наземный радиолокатор с проникающим сигналом — в отличие от орбитального радара миссии, наш был портативным.
Наша цель заключалась в изучении структуры льда внутри, его толщины и возможности обнаружения интерфейса между льдом и океаном с помощью радара, учитывая, что наличие соли и рассола ослабляет радарный сигнал. Мы применяли коммерческий наземный радар разных частот, который передавал электромагнитные волны. Антенна крепилась на тележке, которую мы катили по льду. Возврат сигналов отражался в виде радарной картины, показывающей внутреннюю структуру льда.
Мы работали на льду как первого года, так и многолетнем льду, который пережил один или несколько летних сезонов. Многолетний лед имел более сложную структуру, с ребрами, буграми и переменной толщиной, в то время как лед первого года был более однородным. Радар позволял четко отличать эти типы льда, фиксируя переход от толстой и неоднородной структуры к более тонкому и равномерному ледяному покрову. Особую роль играла анизотропия льда, то есть направленность его кристаллов и распределение солевых включений, которые влияют на силу и качество радарного сигнала.
В арктическом льду солевые карманы расположены преимущественно перпендикулярно к осям кристаллов, что подавляет радиоволны. Мы проверяли разные направления сканирования радаром и обнаружили, что ориентация значительно влияет на возможность обнаружения ледово-водного интерфейса. При сканировании вдоль солевых включений отражение почти терялось, а поперек — было заметно. Также мы меняли азимуты сканирования, фиксируя изменение интенсивности сигнала по толщине льда. Эти данные помогут понять, как будущие миссии, подобные Europa Clipper, должны строить радарные обходы, учитывая влияние внутренней ледовой структуры и солевого состава на качество сигнала. Хотя Арктический лед гораздо тоньше (метры vs километры на Европе), исследование дает важное представление о ближнем слое льда и его неоднородности. Выделяются две частоты радара: одна ориентирована на поверхностный слой, другая — на глубже.
Наши данные помогут интерпретировать их сигналы. Также мы обсудили возможность будущих посадочных миссий, которые могли бы применять похожие радары для изучения структуры льда на поверхности. Далее я расскажу о другом проекте — исследовании Энцелада, спутника Сатурна. Он значительно дальше от Солнца и меньше Европы, но, согласно данным Cassini, тоже считается ледяным океаническим миром. В 2006 году Cassini обнаружил гейзеры — струи водяного пара, выбрасываемые с поверхности Энцелада в космос. Анализ состава частиц в этих струях показал наличие солей; исследователи пришли к выводу, что под поверхностью существует жидкий океан, который выбрасывается через трещины в ледяной коре. Мы заинтересовались вопросом, насколько выброшенный материал струй соответствует по составу самому океану. Это важно для определения свойств океана — pH, солености, состава — что влияет на его обитаемость. На Земле извержения вулканов связаны с выбросом лавы.
У Энцелада действует подобный процесс, но с замерзающей водой — это называется криовулканизм. Жидкая вода поднимается по каналам в ледовой коре, достигает «тройной точки» (условия, при которых вода может существовать одновременно в жидкой, твердой и газообразной формах) и испаряется, формируя гейзеры. Наш эксперимент в лаборатории имитирует этот процесс. Мы создаем вакуумные условия, приближенные к тем, что могут быть в трещинах льда Энцелада, вводим раствор из двух солей (смесь хлорида натрия и натрия карбоната), похожий на состав океана Энцелада. При падении давления жидкость испаряется, оставляя солевой остаток. Мы анализируем этот остаток, его концентрацию и соотношение солей, чтобы понять, как изменяется химический состав при переходе из океана в струю. Наши предварительные результаты показывают, что в вакуумных условиях повышается относительная концентрация хлоридов по сравнению с карбонатами в остатковом материале.
Это означает, что сигнал, получаемый в гейзерах, может иметь другой состав по сравнению с подповерхностным океаном. Это помогает интерпретировать данные миссии Cassini, а также готовится к будущим программам, таким как концепт миссии Enceladus Orbilander, предлагающей изучение спутника и совершение посадки. Такой анализ важен для оценки свойств океана, включая pH, температуру и солённость — ключевые параметры для оценки обитаемости. В заключение я хотел бы предложить задуматься: какие аналоговые условия или процессы на Земле могли бы вы моделировать для поддержки своих исследований космоса? Многие исследования сосредоточены на моделировании, но лабораторные и полевые эксперименты дополняют и уточняют понимание. Если есть вопросы, я с удовольствием отвечу.
Как в ваших исследованиях учитывается поляризация в радарных данных?
Используемые нами радиолокаторы — коммерческие системы, точные характеристики поляризации нужно уточнять в руководствах.
В некоторых исследованиях при создании радаров изначально предусматривали двойную поляризацию для лучшего обнаружения ледово-водного интерфейса. Мы выполняли сканы в двух направлениях, так как ориентация сильно влияет на сигнал, но наш радар не имеет встроенного двойного режима передачи/приема. При наличии таких возможностей удается более полно фиксировать структуру.
Ожидается ли, что толщина льда на спутниках будет похожа на толщину арктического льда или будет отличаться?
Толщина арктического льда — порядка метров, а ледяная кора Европы и Энцелада достигает километров. Поэтому по глубине проникновения радарных волн наш Арктический аналог уступает. Однако он дает ценную информацию о структуре ближних слоев, что важно для подготовки миссий. Расположение частот радара миссии Europa Clipper также учитывает это: одна частота исследует поверхностный слой, другая — более глубокий.
Есть ли на спутниках сезонное таяние льда?
Нет, температура слишком низкая, чтобы происходило сезонное таяние, как в Арктике. Толстый лед сохраняется на геологическом временном интервале. Однако внутри льда возможны локальные жидкие участки за счет присутствия солей, которые снижают точку замерзания. Это создает возможные микроохотели для жизни внутри льда.
Были ли сложности с логистикой и обеспечением безопасности в вашем полевом лагере на льду моря Бофорта?
Лагерь был организован ВМС США для подводных учений. Мы получили приглашение присоединиться к исследовательской группе. Доставку на лед обеспечивал транспорт ВМС. Все операции по безопасности, проживанию, снаряжению контролировались военнослужащими. Нам дали базовое снаряжение, а одежду для экстремального холода мы брали собственную.
Лагерь работал несколько недель с периодической сменой участников.
Как вы оцениваете успешность радаров миссии Europa Clipper в условиях сложной ледяной структуры и солевых включений?
Радарные инструменты будут использовать двойные частоты для покрытия разных глубин. Команда разработчиков проводит моделирование для оценки ослабления сигнала из-за соли и неоднородностей. Хотя многое неизвестно заранее, проведённые лабораторные и полевые исследования помогают предсказать возможные трудности в интерпретации данных. В конечном итоге новые данные выявят новые эффекты, и подготовленные исследования помогут к ним адаптироваться.
Что известно о новых горизонтах и их связи с подобными ледяными мирами?
Миссия New Horizons сосредоточена на Плутоне и поясе Койпера. На данный момент это немного отдельная тема. На Плутоне наблюдаются слои из твердых метана и CO2 с потенциально существующими жидкими субповерхностными слоями.
По радарным инструментам подробностей мало.
Участвовали ли вы в исследованиях радарных данных Марса?
Известно, что радары, такие как SHARAD и MARSIS, используются для исследования льда и возможной воды на Марсе. Один из моих коллег работал с этими данными, рассматривая примеры, похожие на наши исследования льда Арктики в сравнении с Марсом. Мой опыт в основном не на Марсе.
Как обеспечивается защита от загрязнения Земными организмами при отправке и возврате космических образцов?
Это направление называется планетарной защитой. Перед запуском космического аппарата проводят тщательную очистку в чистых помещениях для минимизации земного загрязнения. Для особо важных тел, таких как Европа, требования более строгие. Также существуют меры по предотвращению загрязнения образцов при их возвращении на Землю.
Это регулируется международными протоколами. В архивных миссиях с Луны, астероидов Бенну и Рюгу уже применялись такие меры.
Планируется ли расширить лабораторные эксперименты за счет добавления других солей, например фосфатов, и органических веществ?
В ближайших планах не включать фосфаты, хотя известны публикации, подтверждающие их присутствие, и мы рассматриваем такую возможность. Попытаемся также смоделировать условия на других океанических телах, например Европе, на основе их поверхностного состава. По поводу органики — уже опубликованы эксперименты с аминокислотами и жирными кислотами в аналогичных условиях. В будущем хотим работать с естественными образцами.
Как проходил полевой лагерь на льду в море Бофорта?
Лагерь был организован ВМС США для проведения подводных учений. Он существует примерно каждые два года.
Исследователи подают заявки на участие, и группа отбирается. Нас доставляли самолетами до льда с базы в Аляске. Все операции, в том числе безопасность, обеспечивались ВМС. Мы жили в палатках, предоставленных снаряжением. Полевой сезон проходил в марте при очень низких температурах. Экипировка для экстремального холода была своя.
Какие планы на будущее после завершения аспирантуры?
Хотя я сейчас все еще учусь, мой опыт включает инженерное образование, работу в аэрокосмической отрасли и бизнес. Поэтому планирую искать интердисциплинарные роли, которые объединят научные исследования, управление и политику. Возможно, это будут позиции лидерства в науке с мостом между академической средой и промышленностью.
Можем ли мы связаться с вами по электронной почте для дальнейших вопросов?
Да, конечно. Я с радостью отвечу на вопросы по почте. Спасибо всем за внимание и интерес.
