Дождь кажется исключительно земным явлением, но сама идея осадков универсальна. Если в атмосфере вещество может перейти из газа в жидкость или твердое состояние, образовавшиеся капли или кристаллы способны начать падать под действием силы тяжести.
Только состав таких "дождей" зависит от условий конкретного мира. Там, где слишком жарко для воды, конденсируются другие вещества. На холодных и карликовых планетах замерзают углекислый газ, метан и азот. А в недрах гигантов давление настолько велико, что возможны процессы, которым на Земле практически нет аналогов.
Физики из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса впервые воссоздали в земных условиях экстремальные давления и температуры, характерные для глубинных слоев Урана и Нептуна, чтобы напрямую проследить, как углерод превращается в алмаз и затем плавится.
Уран и Нептун - ледяные гиганты, в недрах которых, согласно моделям, давление достигает сотен гигапаскалей, а температура - тысяч градусов.
- При таких условиях метан, входящий в состав мантии планет, разлагается, высвобождая углерод.
- Углерод сжимается в алмазную фазу, после чего кристаллы "падают" к центру, формируя гипотетический алмазный дождь.
- До недавнего времени теоретические расчеты и астрономические наблюдения давали противоречивые оценки точки плавления алмаза при сверхвысоких давлениях, что мешало точно смоделировать внутреннее строение ледяных гигантов.
Эксперимент позволил напрямую измерить, при каких сочетаниях давления и температуры алмаз остается твердым, а при каких переходит в жидкую фазу.
- Полученные данные согласовали ранее расходящиеся теоретические модели и наблюдательные ограничения, "закрыв" более чем двадцатилетний спор о поведении алмаза в экстремальных условиях.
- Уточненная фазовая диаграмма углерода теперь позволяет точнее моделировать внутреннюю структуру Урана и Нептуна, включая возможную толщину слоя алмазных кристаллов и глубину, на которой они плавятся.
- Это укрепляет гипотезу о том, что в недрах ледяных гигантов действительно существует "алмазный дождь", причем часть алмазов может существовать в виде жидкости, а не твердых кристаллов.
Содержание:
- Меркурий: дождя нет
- Венера: капли серной кислоты
- Земля: вода во всех формах
- Марс: снег из воды и сухого льда
- Юпитер: аммиачно-водяной град и "гелиевый дождь"
- Сатурн: вода и гелий вместо подтвержденных алмазов
- Уран: действительно ли там идет дождь из алмазов
- Нептун: один из главных кандидатов на алмазные ливни
- Что идет на Плутоне
- Где в Солнечной системе самые необычные осадки
- Правда ли, что на планетах идут алмазные дожди
- Можно ли увидеть такой дождь с поверхности
- Заключение
Меркурий: дождя нет
На ближайшей к Солнцу планете привычных осадков быть практически не может.
У Меркурия нет полноценной атмосферы. Вместо нее планету окружает чрезвычайно разреженная экзосфера, состоящая в том числе из кислорода, натрия, водорода, гелия и калия. Поэтому там нет облаков, земной погоды, дождей или снегопадов. NASA прямо отмечает: из-за практически полного отсутствия атмосферы на Меркурии не дуют обычные ветры и не идет дождь.
Любопытно, что вода на Меркурии все же существует. В глубоких кратерах около полюсов есть области, куда практически никогда не попадает солнечный свет. Там обнаружены залежи водяного льда. Но это не результат современных снегопадов - лед сохраняется благодаря чрезвычайно низкой температуре постоянно затененных участков.
Что выпадает: ничего похожего на обычные осадки.
Венера: капли серной кислоты
Если Меркурий слишком безвоздушен для дождя, то Венера - его прямая противоположность. Планету окружает чрезвычайно плотная атмосфера, а планета постоянно скрыта под толстым слоем облаков.
Но облака на Венере состоят не из воды, как большинство земных облаков, а преимущественно из капель серной кислоты.
Поэтому часто можно встретить утверждение, что на Венере "идет дождь из серной кислоты". В определенном смысле это верно, но есть важная деталь: до поверхности такой дождь не добирается. По данным NASA, кислотные капли, опускаясь из облаков, попадают в настолько горячие слои атмосферы, что испаряются задолго до самой планеты.
Подобное явление на Земле называют виргой: осадки выпадают из облака, однако полностью испаряются по дороге.
Условия у поверхности Венеры экстремальны: температура достигает примерно 465 °C, а давление во много раз превышает земное. Именно поэтому жидкой серной кислоте трудно пережить путешествие вниз.
Что выпадает: капли серной кислоты, которые не достигают поверхности.
Земля: вода во всех формах
Земля выглядит довольно скромно на фоне рассказов об алмазах и серной кислоте, однако именно здесь существует чрезвычайно развитый круговорот воды.
В атмосфере водяной пар конденсируется в капли и кристаллы льда. Когда они становятся достаточно крупными, выпадают в виде дождя, снега, мокрого снега или града.
Уникальность земных условий заключается не в самом существовании осадков, а в огромном количестве жидкой воды на поверхности и относительно комфортных температуре и давлении. Вода постоянно циркулирует между океанами, сушей и атмосферой.
Что выпадает: вода, снег и лед.
Марс: снег из воды и сухого льда
Здесь популярная картинка близка к истине: на Марсе действительно может идти снег из сухого льда, то есть замерзшего углекислого газа.
Аппарат Mars Reconnaissance Orbiter обнаружил облака из кристаллов углекислого газа и свидетельства того, что частицы CO₂ выпадают на поверхность в районе южного полюса. NASA называло это первым достоверно установленным примером снегопада из углекислого газа в Солнечной системе.
Но марсианская погода еще интереснее: снег там бывает двух видов.
Посадочный аппарат Phoenix обнаружил в северных широтах Марса снег из обычного водяного льда. Одновременно в самых холодных полярных областях выпадает углекислотный снег.
Кристаллы сухого льда должны выглядеть совершенно иначе, чем земные снежинки. Из-за особенностей кристаллической структуры CO₂ ученые ожидают, что такие частицы будут иметь кубическую симметрию и окажутся очень маленькими - тоньше человеческого волоса.
Что выпадает: снег из водяного льда и сухой лед.
Юпитер: аммиачно-водяной град и "гелиевый дождь"
С утверждением "на Юпитере идет дождь из алмазов" все гораздо сложнее.
Одно из наиболее интересных явлений, которое действительно изучает миссия NASA Juno, связано не с алмазами, а с водой и аммиаком.
В мощных грозах Юпитера кристаллы водяного льда поднимаются высоко в атмосферу и взаимодействуют с аммиаком. Образуется жидкая водно-аммиачная смесь, которая постепенно покрывается ледяной оболочкой. Исследователи Juno назвали такие образования снежками - своеобразными гигантскими градинами из воды и аммиака.
Они становятся настолько тяжелыми, что падают в более глубокие слои атмосферы, где нагреваются, тают и в конце концов испаряются.
Еще глубже происходит другой интересный процесс. Современные модели внутреннего строения Юпитера предполагают разделение водорода и гелия: капли более тяжелого гелия могут опускаться сквозь слой металлического водорода. Этот процесс часто называют гелиевым дождем.
Поэтому говорить просто "на Юпитере идут алмазные дожди" слишком смело. Наиболее хорошо обоснованные модели сейчас описывают водно-аммиачный град и глубинное выпадение гелия.
Что выпадает: вода с аммиаком в виде гигантских градин; глубоко внутри предполагается "гелиевый дождь".
Сатурн: вода и гелий вместо подтвержденных алмазов
В атмосфере газового гиганта есть мощные штормы, связанные с наличием влаги. Исследования, поддержанные NASA, показывают, что в глубоких слоях атмосферы крупные штормы способны сопровождаться выпадением значительного количества водяных осадков.
Есть и еще более необычный процесс. Измерения и модели внутреннего строения Сатурна показывают, что гелия в верхней атмосфере меньше, чем ожидалось. Одно из объяснений состоит в том, что более тяжелый гелий, возможно, отделяется от водорода и постепенно опускается в глубину планеты. NASA сравнивает этот процесс с выпадением гелия внутрь Сатурна.
Версии об алмазных осадках на Сатурне существуют, но их нельзя ставить в один ряд по степени научной обоснованности с "алмазным дождем", моделируемым для Урана и Нептуна.
Что выпадает: в глубоких облаках возможны водяные осадки; внутри планеты - капли гелия.
Уран: действительно ли там идет дождь из алмазов
Уран относится к ледяным гигантам. Его внутренние слои содержат вещества, богатые водой, гелием, водородом, аммиаком и углеводородами. Под гигантским давлением и при высокой температуре содержащие углерод соединения могут распадаться, после чего атомы углерода способны объединяться в кристаллические структуры алмаза.
Это не просто фантастическая теория. В лабораториях ученые воспроизвели условия, похожие на существующие в недрах ледяных гигантов, и с помощью мощных лазеров получили нанокристаллы алмаза. Более поздние эксперименты показали, что образование таких частиц может происходить в более широком диапазоне давлений и температур, чем предполагалось раньше.
После формирования более плотные алмазные частицы должны постепенно опускаться глубже внутрь планеты - отсюда и образное выражение "алмазный дождь".
Но увидеть такой дождь с космического аппарата пока никто не смог. Речь идет о физической модели, подкрепленной лабораторными экспериментами, а не о непосредственно сфотографированных осадках.
Что предположительно выпадает: алмазные частицы глубоко внутри планеты.
Нептун: один из главных кандидатов на алмазные ливни
Нептун имеет внутреннее строение, во многом похожее на Уран, поэтому тот же механизм должен работать и здесь.
При огромных давлениях углеводороды в недрах планеты могут разрушаться. Углерод отделяется от водорода, образует кристаллы и начинает погружаться глубже под действием силы тяжести.
Именно условия внутри Нептуна и Урана стали моделью для экспериментов, где ученым удалось наблюдать образование наноалмазов при высоких давлениях.
Эксперименты 2024 года дополнительно показали, что такой процесс потенциально способен начинаться ближе к внешним слоям планеты, чем считалось прежде. Исследователи также предполагают, что движение алмазных частиц может влиять на перенос тепла и даже быть связано с особенностями магнитных полей ледяных гигантов.
Но и здесь нужно сохранять точность: космический аппарат пока не видел, как внутри Нептуна падают алмазы. Это научно обоснованная гипотеза, экспериментально проверяемая на Земле.
Что предположительно выпадает: алмазы в глубинных слоях.
Что идет на Плутоне
Плутон уже не относится к восьми планетам Солнечной системы: с 2006 года его классифицируют как карликовую планету. Но в теме космических осадков он заслуживает отдельного места.
Температура там может опускаться примерно до −240 °C. Поверхность покрыта льдами из азота, метана и других летучих веществ, а чрезвычайно разреженная атмосфера состоит главным образом из азота с примесью метана и угарного газа.
Аппарат New Horizons обнаружил на вершинах плутонианских гор светлые отложения метанового льда. Ученые пришли к выводу, что метан из атмосферы конденсируется на холодных высотах, создавая нечто похожее на земные снежные шапки.
Еще удивительнее сезонные изменения Плутона. Когда карликовая планета удаляется от Солнца и становится холоднее, значительная часть ее тонкой атмосферы может замерзать и оседать на поверхность. NASA допускает, что азот в этом случае фактически выпадает в виде снега.
Что выпадает или осаждается: преимущественно азот и метан.
Где в Солнечной системе самые необычные осадки
Если расположить планеты по степени необычайных явлений, получится довольно интересная картина.
- Меркурий - практически никаких осадков.
- Венера - капли серной кислоты, испаряющиеся до поверхности.
- Земля - вода, снег и град.
- Марс - снег из воды и углекислого газа (сухой лед).
- Юпитер - гигантские аммиачно-водяные градины и гелиевый дождь в глубине.
- Сатурн - водяные осадки в глубоких облаках и осаждение гелия.
- Уран - вероятный алмазный дождь в недрах.
- Нептун - вероятный алмазный дождь в недрах.
- Плутон - метановый и азотный лед, способный выпадать или конденсироваться из атмосферы.
Правда ли, что на планетах идут алмазные дожди
Самая сильная научная база для "алмазного дождя" сегодня существует применительно к Урану и Нептуну. Ученые смогли воспроизвести близкие к их недрам условия в лаборатории и наблюдать образование наноалмазов.
Это вовсе не означает, что над поверхностью планеты собирается черная туча и из нее падают драгоценные камни размером с земные бриллианты. Предполагаемый процесс происходит глубоко внутри, где температура и давление огромны. Кристаллы углерода возникают в плотной горячей среде и затем постепенно погружаются еще глубже.
Поэтому выражение "алмазный дождь" - красивое и в целом допустимое популярное название сложного физического процесса.
Можно ли увидеть такой дождь с поверхности
Для газовых и ледяных гигантов сам вопрос о поверхности не совсем корректен. У Юпитера и Сатурна нет твердой поверхности, подобной земной: по мере погружения газ становится все плотнее и постепенно переходит в жидкие и экзотические состояния вещества. Уран и Нептун также скрывают свои глубинные процессы под тысячами километров атмосферы и плотных внутренних слоев.
Поэтому будущему космическому путешественнику не удастся просто поставить ведро и собрать алмазы. Если алмазный дождь действительно идет, он происходит там, где давление уничтожило бы практически любой современный аппарат задолго до того, как тот смог бы его увидеть.
Заключение
Погода за пределами Земли оказывается гораздо разнообразнее, чем привычный дождь из воды. В Солнечной системе существуют планеты с облаками из серной кислоты, снег из углекислого газа, аммиачно-водяной град и сезонное осаждение азота и метана.
А самые эффектные "алмазные дожди" пока остаются явлением, которое невозможно увидеть напрямую. Но лабораторные эксперименты показывают: в глубинах Урана и Нептуна физические условия действительно позволяют углероду превращаться в алмазы и опускаться в недра планет.
Поэтому популярная фраза о том, что "на других планетах идет дождь из алмазов", не совсем миф или аллегория.