Dzisiaj krócej i z zupełnie innej beczki

W 1997 roku uczeń gimnazjum (middle school) w amerykańskiej mieścinie Eagle Rock, w stanie Idaho, zbierał podpisy pod petycją domagająca się zakazu używania monotlenku diwodoru, a jako uzasadnienie podawał, iż ta bezwonna i bezbarwna substancja posiada, między innymi, następujące właściwości:

- jest głównym składnikiem kwaśnych deszczów;

- jest w stanie rozpuścić każdą substancję, z którą się zetknie;

- przypadkowe wciągnięcie jej do płuc zazwyczaj powoduje śmierć;

- może spowodować poważne oparzenia w stanie gazowym.

Na 50 osób, którym pokazał uzasadnienie, 43 podpisały się pod petycją mającą za cel wyeliminowanie inkryminowanej substancji ze środowiska, 6 osób nie miało zdania w tej kwestii, czyli nie mogło się zdecydować, a tylko jedna osoba opowiedziała się przeciwko zakazowi używania monotlenku diwodoru. Oznacza to, iż w próbce badanych osób 86 procent poddało się sugestii, iż nie kojarząca się im z niczym substancja jest groźna dla środowiska i ludzi.

Przykład ten z jednej strony świadczy, iż poziom elementarnej znajomości chemii wśród przeciętnych obywateli jest znikomo niski, ale z drugiej, że można dowolne rzeczy ludziom wmówić i co za tym idzie, można ich łatwo nakłonić do dokonania absurdalnego wyboru. Bo przecież monotlenek diwodoru to nic innego jak swojska H2O. Nikt nie wyobraża sobie możliwości życia biologicznego bez wody. Jakiegokolwiek życia.

Rozwinę ten wątek, gdyż temat jest nośny, powraca niczym bumerang w coraz to dziwaczniejszych wariantach, zwłaszcza gdy wzniecany jest zamęt informacyjny wokół nowych perspektyw w badaniach kosmosu, wystarczy wymienić tylko misje laboratoriów służących do badań planety Mars oraz odkrywanie planet w innych systemach gwiezdnych.

Symulacje progowych uwarunkowań dla życia biologicznego miały swoją długotrwałą i burzliwą historię, którą zmuszony jestem pominąć, przede wszystkim ze względów objętościowych. Jedynie w skrócie wymienię te uwarunkowania, ograniczone ponadto do czterech czynników zasadniczych. Po pierwsze źródło wystarczająco wydajnej energii (np. mogącej inicjować proces fotosyntezy), po drugie występowanie atomów takich pierwiastków, które dopuszczają tworzenie cząstek o skomplikowanej budowie, po trzecie ciekły rozpuszczalnik, w którym te cząstki mogą efektywnie oddziaływać między sobą, i po czwarte wystarczająco dużo czasu, aby życie zdążyło się pojawić i przetestować formy ewolucji.

Nie będę przytaczał argumentacji dlaczego uważa się wymienione uwarunkowania za zasadnicze, po prostu przyjęte tak jest w literaturze naukowej dotyczącej omawianego zagadnienia, chociaż niewątpliwie mamy do czynienia z rezultatem wynikłym z wyboru autorytarnie określonych założeń. Tak czy owak lepiej będzie pominąć ten filozoficzno-aksjologiczny problem.

I tak, w przypadku planety Ziemi, pierwsze kryterium mamy spełnione, bo w odległości circa 150 milionów km Słońce emituje energię, która zapewnia naszej planecie tyle ciepła, że większość wód oceanicznych i lądowych pozostaje nie zamarznięta przez okrągły rok (dla porównania podam, iż tylko ca 2,0% ogólnej masy wody jest stale zamarznięte). Drugie kryterium także mamy spełnione, gdyż podstawowym budulcem skomplikowanych struktur, niezbędnych dla powstania organizmów żywych i ich metabolizmu, jest węgiel. Atomy węgla łączą się bardzo łatwo z jednym, dwoma, trzema lub czterema innymi atomami. Inne pierwiastki nie są tak „koleżeńskie”, jakkolwiek atom krzemu również może się wiązać nawet z czterema innymi atomami. Ale jeśli już się zwiąże, to bardzo trudno jest takie związanie rozwiązać. Krzemiany, czyli związki krzemu z tlenem (lub z domieszkami innych pierwiastków) stanowią główny budulec skorupy ziemskiej. W takich związkach przetrwały miliony, a nawet miliardy lat, co oczywiście wyklucza krzem jako kandydata nadającego się na mobilnego kreatora nowych cząstek. Poza wcześniej wymienionymi pierwiastkami, z czterema atomami mogą się jeszcze wiązać atomy germanu, ale ten egzotyczny przypadek ze względu na jego, nawet nie śladową, częstość występowanie we wszechświecie nie może zostać potraktowany poważnie w tak istotnej kwestii jak kandydatura na kościec życia biologicznego. Czwarte kryterium pomijam, jako w sposób oczywisty spełnione w przypadku Ziemi, natomiast zajmę się dokładniej kryterium trzecim, które bez wątpienia stanowi najciekawszy przypadek.

Dlaczego więc występowanie cieczy (czyli rozpuszczalnika w stanie ciekłym) stanowić ma zarówno progowe jak i konieczne kryterium?

Otóż w ciałach stałych atomy zostają unieruchomione, więc ten stan skupienia materii nas nie interesuje. A z kolei w gazach zderzenia cząstek, czyli ich oddziaływania wzajemne są znacznie rzadsze niż w cieczach, gdyż przeciętnie rzecz biorąc gęstość gazu jest około 1000 razy mniejsza od gęstości cieczy. Nie mamy zatem specjalnego wyboru i musimy „trzymać się” właśnie cieczy, chociaż być może zabrzmi to humorystycznie. Ale jakiej cieczy?

Żeby zobrazować problem istniejących w tym zakresie możliwości, należy pokazać go na odpowiednim tle. Wymienię najpierw dziesięć pierwiastków pod względem największego stopnia rozpowszechnienia we wszechświecie. Są nimi kolejno: wodór 91,03 %, hel 8,83 % oraz pozostałe czyli tlen, węgiel, neon, azot, magnez, krzem żelazo, siarka, na które przypada 0,14 %, z czego ponad połowę tej pozostałości (0,085%) zawłaszcza tlen. Czyli najczęściej powinny występować związki wodoru z tlenem i węglem. I tak właśnie się dzieje. Jedna z takich kombinacja tworzy znaną nam H2O, która w stanie ciekłym występuje tylko na powierzchni jednej znanej nam planety, tj. Ziemi. Poza wodą, znane są jeszcze trzy związki, które w szerokim przedziale temperatur pozostają w stanie ciekłym. Są to amoniak, etan i alkohol metylowy. Wszystkie one charakteryzuje taka właściwość, iż w stanie ciekłym znajdują się w przedziale temperatur znacznie niższych niż woda. Dla przykładu amoniak zamarza przy temperaturze minus 78 C, a wrze przy minus 33 C. Z kolei etan zamarza poniżej temperatury minus 171,4 C, zaś wrze w temperaturze minus 93C. Także alkohol metylowy pozostaje w stanie ciekłym w temperaturze niższej niż woda , bo jego temperatura wrzenia to 64,7 C, zaś temperatura zamarzania wynosi poniżej minus 94 C.

Ale woda ma jeszcze jedną, zupełnie zasadniczą przewagę nad wymienionymi związkami, czyli właściwość, której żadne inne ciecze nie posiadają. Otóż ciecze (jak i większość innych substancji) przy ochładzaniu się kurczą, wówczas ich gęstość zwiększa się. W przypadku wody największą gęstość gęstość posiada ona w temperaturze 4 C, zaś powyżej i poniżej ma gęstość mniejszą.Oznacza to, że gdy temperatura powietrza spada poniżej zera, woda o temperaturze 4°C opada na dno, mając większą gęstość od zimniejszej wody ponad nią. Z kolei tworzący się lód na powierzchni izoluje cieplejsza wodę pod spodem. Taka właściwość wody powoduje, iż zbiorniki wodne nie zamarzają od dna, tylko od powierzchni.

Gdyby nie opisana właściwość dotycząca wody, jej zamarznięte frakcje na powierzchni akwenów ziemskich opadałyby na dno, wypierając stamtąd wodę cieplejszą, która oczywiście także zamarzałaby w warstwach przypowierzchniowych. Wówczas proces taki doprowadziłby w szybkim tempie do tego, że w ciągu kilku lat wszystkie zbiorniki znajdujące się w chłodnych strefach klimatycznych zamarzłyby całkowicie. Czyli np. wody Oceanu Arktycznego przekształciłyby się w całości w lód, jak również zamarzłyby do spodu wody w Bałtyku, w amerykańskich Wielkich Jeziorach, jeziorze Bajkał oraz we wszystkich akwenach na zbliżonych szerokościach geograficznych. Oznacza to, iż w porównaniu z innymi cieczami które mamy do dyspozycji, woda posiada tak bardzo znaczną przewagę jakościową, że już możemy nie zawracać sobie nimi głowy w roli rozpuszczalników przydatnych dla procesów życia biologicznego. Z tego wynika konkluzja, iż tylko tam gdzie występuje woda w stanie płynnym, tam może występować życie biologiczne oparte na metabolizmie wodorowo-węglowym. Pytanie gdzie jeszcze szukać w kosmosie życia biologicznego, możemy stawiać zamiennie z pytaniem, czy gdzieś poza Ziemią występuje woda na powierzchni w stanie płynnym, tworząc stałe zbiorniki i która wchodzi w interakcje z atmosferą planetarną.

Czy do tej pory dowiedzieliśmy się już, że gdzieś indziej znajduje się lub znajdowała taka woda? Wiemy przecież, że jakaś część komet składa się z w rozmaitym stopniu z lodu wodnego, przyjmujemy również, że w początkach formowania się układu planetarnego wokół Słońca, planety były gęsto bombardowane meteorytami i kometami, których składnikiem był tenże lód wodny. Czyli nie tylko Ziemia była tak bombardowana. Zatem co takiego się stało, że na Ziemi trzy czwarte powierzchni pokrywają oceany, zaś reszta planet ma tę powierzchnię przeraźliwie wręcz suchą?

W tym miejscu należy wymienić jeszcze inne właściwości wody.

Na poziomie morza, czyli pod ciśnieniem jednej atmosfery woda wrze w temperaturze 100 C. Ale każdy, kto przebywał w wysokich górach wie także, że tam ciśnienie atmosferyczne jest mniejsze i woda wrze w tempera- turze niższej. Im znajdujemy się wyżej nad powierzchnią morza, tym bardziej to ciśnienie spada i w tym niższej temperaturze woda wrze. Ponadto, przy pewnej wartości granicznej ciśnienia, woda ze stanu stałego (lód) lub ciekłego, nie przechodzi fazy gotowania, tylko od razu zamienia się w parę wodną (gaz). Zjawisko to nazywa się sublimacją. Kto miał do czynienia z tzw. „suchym lodem” (zamarznięty ditlenek węgla), ten widział, iż położona np. na stole bryła CO2 po pewnym czasie znika bez śladu. W przypadku lodu wodnego sublimuje on na wysokości trzydziestu kilku kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Z kolei na Marsie ciśnienie atmosferyczne jest średnio około 100 razy mniejsze niż na Ziemi. Odpowiada ono ciśnieniu, jakie mierzymy na wysokości ponad 35 km nad powierzchnią Ziemi, a przy takich parametrach cisnienia atmosferycznego woda wrze w temperaturze 5 C. Oznacza to, iż wszelka woda, która z jakichś przyczyn wypływała bądź wypływa na powierzchnię planety takiej jak Mars, w bardzo krótkim czasie odparowuje z jego powierzchni, jeśli tylko znajdzie się w ekspozycji nasłoniecznionej. Oczywiście są to wartości uśrednione, gdyż Mars posiada na tyle zróżnicowaną powierzchnię, że występują na nim znaczące różnice ciśnienia atmosferycznego. Przy średniej wartości tego ciśnienia w wysokości 6 hPa, waha się ona od 11,5 hPa na nizinie Hellas do 0,3 hPa na szczycie Olympus Mons. Rzadka atmosfera Marsa jest przyczyną dalszych procesów przemiany chemicznej. Otóż promieniowanie ultrafioletowe docierające ze Słońca i które nie jest pochłaniane przez warstwę ozonu, który w atmosferze Marsa nie występuje,  rozbija cząstki pary wodnej (po sublimacji) na wodór i tlen, po czym wodór, jako znacznie lżejszy, ucieka w przestrzeń międzyplanetarną (grawitacja, czyli prędkość ucieczki w km/sek ma na Marsie prawie 2,5 raza mniejszą wartość niż na Ziemi), a tlen też ucieka bezpowrotnie wiążąc się z innymi składnikami, czyli tworzy tlenki, w tym dwutlenek węgla, czyli nie stworzy już ponownie cząsteczek wody. Reasumując, jeśli gdzieś na Marsie pod powierzchnią planety znajduje się zamarznięta woda, to może jej tylko ubywać.

Jeśli chodzi o Księżyc, który jest de facto pozbawiony atmosfery (i ciśnienia atmosferycznego), to ewentualna woda czy lód, jeśli wydostałyby się na powierzchnię, natychmiast podległaby procesowi sublimacji. Z kolei na Wenus cała woda już dawno odparowała, tlen związał się z węglem, tworząc chmury dwutlenku węgla odpowiedzialne za efekt cieplarniany, zaś wodór uciekł w przestrzeń. Piec wenusjański ma temperaturę przy powierzchni tej planety w granicach 500°C, przy ciśnieniu atmosfery 100 razy większym, niż na Ziemi. Hipotetyczny astronauta, gdyby udało mu się wylądować na powierzchni tej planety i zdecydowałby wyjść ze statku kosmicznego, natychmiast zostałby zmiażdżony. Dla porównania, gdyby wszystkie ziemskie oceany i morza odparowały i utworzyły w całości warstwę atmosfery, wówczas jej ciśnienie byłoby co najmniej 200 razy większe niż obecne (czyli było by dwukrotnie wyższe niż zmierzone na Wenus, a ponadto efekt cieplarniany podgrzałby atmosferę ziemską do kilkuset stopni Celsjusza).

Gdzie w naszym Układzie Słonecznym możemy szukać wody w stanie płynnym? Znaleziono takie miejsce, a okazał się nim jeden z księżyców Jowisza o nazwie, a jakże, Europa, zbliżony rozmiarami do Księżyca ziemskiego, ale o promieniu mniejszym o ok. 10 procent. Powierzchnia księzyca Europy to jeden olbrzymi ocean pokryty połamanym i wciąż na nowo łamanym lodem. Jest tam bardzo zimno (-170 C), ale grawitacja olbrzymiego i masywnego Jowisza wywołuje na Europie znaczne efekty pływowe (księżyc kurczy się i rozkurcza), co powoduje, iż jego wnętrze jest rozgrzewane z powodu generowania prądów konwekcji i ten proces podgrzewa wodę od spodu. Na powierzchni ocean jest zamarznięty, zaś pod spodem woda znajduje się w stanie ciekłym.

Ale nie będziemy wiedzieli jak gruba jest warstwa lodu na Europie, dopóki jakiś próbnik tam nie wyląduje i nie dowierci się do wody. Trzeba na takie badania poczekać. Na razie szacuje się, że pojemność oceanu na Europie to odpowiednik 21.000 km3, czyli tyle mniej więcej tyle, ile łączny zasób wody pięciu amerykańskich wielkich jezior na pograniczu z Kanadą.

Czy w tej sytuacji zasadnie jest stawianie takiego oto znaku równości, że woda w stanie płynnym oznacza zawsze życie? Otóż wcale niekoniecznie. Np. przy braku gęstej atmosfery, wpływ docierającego do powierzchni obiektów kosmicznych twardego promieniowania korpuskularnego powoduje, poprzez zderzenie wytwarzanie rozmaitych izotopów promieniotwórczych, i oczywiście jonizację. W przypadku wody (a ściślej zawartego w niej wodoru) wytwarza się radioaktywny tryt, który taką wodę zmienia w śmiertelna truciznę dla życia biologicznego.

Wniosek nasuwa się taki, że hurraoptymizm wiązany z ewentualnym odnajdywaniem wody w pozaziemskich światach warto na wszelki wypadek powstrzymać.

******

Wykaz moich notek na portalu "Szkoła Nawigatorów" pod linkiem:

http://stanislaw-orda.szkolanawigatorow.pl/troche-prywaty

 

---

tagi: woda  zycie  kosmos 

	stanislaw-orda
	21 września 2017 14:26

17     4598    12 zaloguj sie by polubić