Перевод с английского
И.С. ЩЕРБИНОЙ-САМОЙЛОВОЙ
Под редакцией и с послесловием
С.А. КАПЛИНА
ИЗДАТЕЛЬСТВО “НАУКА”
ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ
ЛИТЕРАТУРЫ
Москва 1974
527
Д71
УДК 523.40
second edition
Stephen H. Dole
The Rand Corporation
Santa Monica, California
American Elsevier
Publishing Company, Inc
New York, 1970
(С) Перевод на русский язык, Издательство “Наука”, 1974
ОГЛАВЛЕНИЕ
| Предисловие редактора перевода | 5 |
| Предисловие автора ко второму изданию | 8 |
| Самая яркая звезда в Кассиопее | 11 |
|
184 |
|
|
189 |
|
|
195 |
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
Эта небольшая книга, предлагаемая читателю, содержит более или менее обоснованную попытку ответить на следующие три вопроса
:
Ответы на эти вопросы, хотя, может быть, и не очень уверенные, читатель и найдет в этой книжке.
Но для чего вообще заниматься этими вопросами? По мнению автора этой книги, изложенному в его предисловии, это нужно прежде всего потому, что человечество сейчас стоит перед одной из серьезнейших проблей за всю свою историю — загрязнением окружающей среды, которое может привести к необратимым и очень вредным последствиям. Одно из радикальных решений — переселение на другие планеты. Надо отдать должное автору — он отнюдь не рекомендует принять это решение уже сейчас и не считает, что такое переселение станет возможным достаточно скоро. Но тем не менее не мешает выяснить, где еще есть пригодные для жизни людей планеты и сколько их?
Но ответы на эти вопросы важны и для другой, вероятно, более реальной проблемы — поисков сигналов внеземных цивилизаций. Автор настоящей книги эту проблему не затрагивает вообще. Определив число планет в нашей Галактике, пригодных для жизни человека, и считая, что на них неизбежно возникает жизнь, автор далее полагает, что вероятность встретить здесь разумные существа хотя и не равна нулю, но очень мала.
Однако широко распространено в другое мнение — вероятность появления разумней жизни на других планетах, может быть, не так уж и мала. Тогда здесь возникают внесенный цивилизации, с которыми, по крайней мере в принципе, можно установить связь. Проблеме связи с внеземными цивилизациями (проблеме CETI — Communication with Extraterrestrial Intelligence) в последнее время уделяется много внимания и в послесловии редактора перевода обсуждается связь проблемы CETI с вопросами, излагаемыми а настоящей книге.
Автор этой книги Стефан Доул является сотрудником известной американской фирмы Rand Corporation, специализирующейся, в частности, и на проблемах футурологии — обсуждения тенденций будущего развития науки, техники и социальной структуры общества.
В книге наибольший интерес представляют главы 2—6, содержащие конкретный материал об условиях выживания человека при разных экстремальных состояниях окружающей среды, об астрономических требованиях к планетам, на которых возможна жизнь, а также об основанных на этих обсуждениях оценках вероятностей существования внеземной жизни. Этот материал будет интересен не только широкому кругу читателей, но и будет полезен специалистам, занимающимся вопросами планетологии, условиями выживания человека, проблемой внеземных цивилизаций и т. п. Кстати, книга может послужить хорошим пособием для авторов фантастических романов и рассказов.
Другие главы (1 и 7—9) менее интересны и написаны скорее с расчетом на внешнюю занимательность, Нового фактического материала здесь практически нет. Мы, однако, сохранили эти главы при переводе книги отчасти для того, чтобы показать позицию автора по обсуждаемым вопросам. Книга переводится на русский язык без изменений и с минимумом примечаний. Здесь много ссылок на оригинальные исследования, но, как обычно бывает в этих случаях, ссылок на советские работы очень мало. К сожалению, в советской; литературе пока нет обзорных работ по обсуждаемым в книге вопросам, хотя оригинальных исследований проводилось много. Мы надеемся, что наши специалисты по этим вопросам скоро заполнят пробелы в обзорной литературе. В своих примечаниях мы ограничились лишь разъяснением некоторых непонятныхмест, добавлением ряда ссылок. Не все взгляды автора на цели и задачи космических полетов, перспективы будущего развития науки, техники и социальной структуры общества т. п. разделяются нами, но читатель легко может отделить важное и конкретное от общих и не всегда обоснованных рассуждений.
Редакция считает своим долгим выразить благодарность проф. Рудольфу Пешеку, члену-корреспонденту Чехословацкой Академии наук, рекомендовавшему нам эту книгу.
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ
Не столь давно мир казался почти неисчерпаемым в его возможностях удовлетворять людские потребности и безграничным в качестве вместилища отходов и отбросов человеческого существования; те, кто хотел бежать от обыденности деревенской жизни или от суеты и гама города, всегда мог ускользнуть в места, никем не тронутые и ничем не отравленные. Существовали девственные леса, богатейшие природные залежи, ждавшие своего открытия, границы, которые можно было всегда отодвинуть, а большие области на географических картах значились как белые пятна.
Однако за последнюю сотню лет все изменилось. Исчезли большие белые пятна; исчезла детская вера в щедрую Природу. Внезапно мы были выведены из нашего сонного благодушия тем грустным фактом, что в один прекрасный день весь мир может оказаться отравленным. Стало ясно, что как бы ни были огромны атмосфера и океаны, они не смогут вечно поглощать индустриальные отходы с современными темпами, не оказавшись смертельно зараженными. Если уж ядовитые отходы наших производственных процессов были обнаружены в органах животных в самых отдаленных уголках Земли, то приходится признать, что пороговый уровень зараженности уже достигнут,
Вплоть до нашего столетия человечество еще могло себе позволить существование за счет потребления невозместимых ресурсов, мало заботясь о будущих поколениях, которым прядется жить в мире, лишенном не только нефти и хороших железных руд, но даже не слишком обеспеченном ураном для питания своих силовых установок. Мы живем в режиме, который можно назвать открытой экологией, т. е. когда темп потребления природных запасов превышает скорость их возмещения. Однако в какой-то момент не столь отдаленного будущего людское население Земли окажется вынужденным жить в режиме почти замкнутой экологии, когда на входе будет лишь солнечная энергия и когда практически все, что потребляет человек, придется возмещать путем восстановления и циклического повторения.
Мы видели, как выглядит Земля на черном фоне космического пространства — прекрасный голубой шар, испещренный коричневыми пятнами и наполовину покрытый сверкающими белыми облаками. Теперь мы уже вполне реально убедились в том, что знали, конечно, и раньше: наш дом — всего лишь небольшая планетка, крохотный оазис в пространстве — не бесконечная, не беспредельная, не неисчерпаемая, но все равно бесконечно дорогая для нас Земля. И если наш “старый дом” изживет себя или “место стоянки” окажется невыносимо замусоренным, то дальше идти нам будет некуда.
Или все-таки есть куда?
Как раз сейчас, когда под воздействием все увеличивающегося населения опасность загрязнения окружающей среды стала, наконец, определяющей в коллективном сознании грозящей нам опасности, люди начали обучение отрыву от Земли и перемещению в космическом пространстве. Огромное значение для человечества имел гигантский шаг Нейла Армстронга, первого представителя человеческого рода, ступившего на другое небесное тело. Этот шаг стал предвестником более далеких и более быстрых путешествии других людей в будущем. Со временем, когда наука и техника создадут соответствующие средства для транспортировки, человечество вплотную сможет заняться решением проблемы посылки колонистов на другие пригодные для жизни планеты в далеких областях космического пространства. Это не означает, что возможность эмиграции с Земли освобождает человечество от бережного отношения к нашим природным ресурсам или от борьбы за сохранность окружающей среды. Но если такие средства в будущем станут доступными, то, вероятно, среди мужчин и женщин найдется немало добровольцев, которые захотят стать первыми обитателями какого-то качественно нового мира.
Вряд ли можно сомневаться в том, что в ближайшее время эти средства окажутся в пределах наших возможностей. Если человечество в пределах длительности жизни одного поколения смогло пройти путь от полета первого аэроплана до высадка на Луну, то у нас есть все основания с нетерпением ждать дальнейшего развития техники, которое позволит человеку достичь других пригодных для жизни планет. Следовательно, не слишком преждевременно уже сейчас начать размышлять о возможностях открытия новых миров, на которых могли бы жить люди.
В этой книге обсуждаются не столько средства и способы транспортировки, которые можно было бы разработать, сколько ее цели. Впервые сделана попытка определить, что следует понимать под планетой, пригодной для жизни. Единственная известная нам обитаемая планета— Земля, и она единственная планета, которую мы можем в настоящее время исследовать в деталях непосредственно. Тем не менее, основываясь на современном уровне знаний, мы можем установить как те пределы, до которых могли бы измениться многие свойства Земли, прежде чем условия на ее поверхности перестали бы быть подходящими для жизни людей, так и пределы, до которых могло бы измениться Солнце, не нарушая своего совершенства в качестве источника тепла и света. Основной задачей этой книга является обстоятельный разбор диапазона характеристик, которыми должна обладать планета, чтобы ее можно было называть пригодной для жизни, и тех существенных свойств звезд, которые могли бы служить в качестве подходящих солнц для таких планет. Проведены также оценки числа пригодных для жизни планет в нашей Галактике и мест, где они могли бы быть обнаружены.
Многие из рассматриваемых здесь проблем еще полностью не разрешены. Поэтому весьма возможно, что некоторые наши оценки в будущем, когда станут доступны новые данные, придется пересмотреть. Однако для склонного к риску и воображению ума, для людей, заинтересованных в конечных последствиях пилотируемых космических полетов и желающих признать какие-то гипотезы относящиеся к тем областям, где наши знания все еще неполны, эта книга указывает на перспективы новых миров во Вселенной, на которых будущие поколения людей станут жить под чужими, но добрыми солнцами.
Санта Моника, Калифорния
С. Доул
Лето 1970 г.
САМАЯ ЯРКАЯ ЗВЕЗДА В КАССИОПЕЕ
Альфа Центавра — наша ближайшая соседка в космическом пространстве за пределами Солнечной системы и одна из самых ярких звезд южного полушария — в действительности является системой, состоящей из трех звезд.
Рис. 1. Самые яркие звезды в Кассиопее.
Две большие звезды, А и В, обращаются одна вокруг другой за 80 лет при среднем расстоянии между ними около 23 астрономических единиц (астрономическая единица — 1 а. е.— есть среднее расстояние между Солнцем и Землей) ; третий член системы — звезда С, отстоящая от нас на 10 000 а. е., обращается вокруг пары АВ за период порядка миллиона лет. Каждая из звезд А и В могла бы иметь обитаемые планеты; звезда С — не могла бы.
Гипотетический мыслящий обитатель таких планет, взглянув на свое ночное небо, увидел бы почти такие же созвездия, как те, которые мы привыкли видеть с Земли: Большую Медведицу, Орион и все прочие. Но было бы и весьма заметное дополнение. Вместо пяти ярких звезд в Кассиопее он увидел бы шесть. Шестой и самой яркой (нулевой визуальной звездной величины), продолжающей зигзагообразный рисунок из звезд еще на один шаг, было бы наше Солнце (рис. 1).
Наш гипотетический мыслящий наблюдатель не смог бы заметить ничего выдающегося, присущего именно этой яркой звезде: она бы выглядела примерно такой же, как многие другие звезды в поле его зрения. У него не было бы способа обнаружить, что эта звезда обладает обращающейся вокруг нее планетой, несущей на себе жизнь.
Глава 1
ВВЕДЕНИЕ
Космические перспективы
Одна из самых давних целей космического полета и, может быть, самая важная — это найти у других звезд планеты, на которых человек мог бы обосноваться и жить так же привольно и удобно, как на поверхности Земли. Эта книга содержит попытку количественных оценок вероятности обнаружения таких планет, мест, где они могли бы находиться, и количества пригодных для жизни планет в нашей Галактике.
Чтобы называться пригодной для жизни в нашем понимании, планета должна обладать приемлемыми окружающими условиями для существования людей. Последовательность изложения следующая: прежде всего подробно разбираются требования к окружающей человека среде; потом детально обсуждаются основные свойства массивных тел, которые мы называем планетами; затем, на основе анализа всех факторов вместе взятых описывается класс планет, которые обладают специфическими физическими и астрономическими параметрами, обеспечивающими возможность существования человека; наконец, оценивается вероятность того, что некая данная звезда главной последовательности будет иметь по крайней мере одну пригодную для жизни планету на окружающей ее орбите. На этом основании отобраны и занесены в список ближайшие к Солнцу звезды, которые вероятнее всего обладают пригодными для жизни планетами.
Другие относящиеся к данной теме и рассматриваемые в книге вопросы включают описание особых и необычных видов пригодных для жизни планет, которые в конце концов также могут быть открыты; влияние, которое могут оказать новые условия, господствующие на этих планетах, на прилетевших поселенцев; методику отыскания таких планет и оценку Земли как планеты, а также обсуждение проблемы, в какой мере пригодность Земли для жизни изменилась бы, если бы изменились некоторые из ее основных свойств.
Надо учитывать, что многие из идей, развиваемых в этой книге, не могут быть доказаны, но и не могут быть опровергнуты; в известной мере они ограничены умозаключениями и разумными предположениями па уровне наших современных знаний.
До начала космических полетов 60-х годов во все времена любой человек проводил всю свою жизнь и умирал на поверхности шара, радиусом около 6000 км — планеты, обращающейся вокруг довольно заурядной звезды в одном из спиральных рукавов островной галактики, известной под названием Млечного Пути*). Но теперь, после прогулок людей по Луне, не может больше быть сомнений, что человек сможет слетать к другим планетам Солнечной системы и, возможно, осуществит это до конца нашего столетия.
Итак, род человеческий открыл ворота величайшей из всех пограничных крепостей. Почему же некоторые люда так страстно стремятся покинуть удобные жилища и рисковать жизнью в суровых просторах этого безбрежного неизвестного? Это одновременно так же легко и трудно понять и объяснить, как далекие путешествия обитателей Огненной Земли и Гавайских островов, как экспедиции Колумба, как упорство адмирала Бёрда, как решимость Хиллари **). Это как раз те качества, которые делают нас людьми, которые зовут проникать в неведомое, раздвигать границы знаний, становиться исследователями и пионерами.
*) Наша Галактика содержит более ста миллиардов звезд; во Вселенной
существуют миллиарды других галактик.
**) Американец Бёрд первым пролетел на самолете над Северным полюсом,
новозеландец Халлари вместе с непальцем Тенсингом первыми поднялись на Джомолунгму
(Эверест). (Прим. ред.)
Программу, принятую в настоящее время для пилотируемых исследований ближнего Космоса, можно уподобить первым попыткам ребенка, только-только начинающего учиться ползать. Это своего рода процесс обучения, задачи которого носят лишь кратковременный характер, что, может быть, трудно объяснить без учета дальнейших перспектив. Наши первые нерешительные шаги привели нас на Луну. Научившись ходить увереннее, мы сможем исследовать поверхность Марса и облачный покров Венеры, а позднее — другие планеты Солнечной системы. Но будем ли мы продолжать пользоваться все тем же методом, когда действительно научимся преодолевать пространство сравнительно надежно и просто?
Данная книга предлагает рассматривать этот вопрос как разрешимый в будущем, когда человек окажется в состоянии искать и находить пригодные для жизни планеты за пределами Солнечной системы. Сейчас же в ограниченных пределах наших современных знаний мы действительно не знаем, как в дальнейшей будут осуществляться такие поиски, хотя различные возможности межзвездных космических полетов рассматривались уже многими авторами (см., например, Зенгер, 1956, 1961; Спенсер Д. Ф. и Яффе, 1962 и Бассард, 1960) *). Но мы сделали лишь самые первые попытки в нашем “карабкании” вверх как сознательные и жаждущие познания существа. Предстоит узнать гораздо больше того, что уже известно, и путь, который предстоит пройти роду человеческому весьма длителен. Мы же будем касаться скорее целей, чем средств к их осуществлению. Имея в виду быстрые и все ускоряющиеся успехи науки и техники последних 50—60 лет, надо быть крайним пессимистом, чтобы утверждать, что “человек никогда не научится преодолевать космические расстояния с такой скоростью, чтобы домчаться до звезд за время жизни одного поколения или хотя бы нескольких поколений”.
Каковы же цели космического полета с позиций “дальнего прицела”? Конечно, самое главное — увеличение наших познаний Вселенной, попытки узнать что-либо о возникновения материи, о происхождения галактик и происхождения жизни и, может быть, отыскание новых источников энергии и сырья; но есть и еще одна цель — найти новые пригодные для жизни планеты.
*) Автор проводит здесь ссылки на некоторые книги о межзвездных перелетах, опубликованные в США. В СССР издано много книг, где подробно описываются и обсуждаются возможности как межпланетных, так и межзвездных перелетов. (Прим. ред.)
В настоящее время обителью человечества является только наша планета Земля. Не исключено, что в результате одной катастрофы можно было бы полностью разрушить жизнь в той форме, которая нам известна. Но если бы род человеческий существовал на многих планетах, разбросанных где-то в Галактике, его бессмертие, очевидно, было бы более надежно обеспечено. Сегодня один из самых важных аспектов жизни на Земле — это быстрый рост народонаселения. Поскольку трудности, с которыми сталкиваются люди, все увеличиваются, все более существенными будут и мотивы для первооткрывателей продвигаться на новые рубежи. Кто может предсказать, когда какое-нибудь научное открытие или серия открытий совершенно изменят наши возможности и позволят преодолевать межзвездные расстояния в поисках новых планет, пригодных для жизни? Ну, а если бы у нас уже имелись такие возможности, откуда мы начали бы поиски пригодных для жизни планет? И какова вероятность найти их? Эта книга как раз и пытается дать ответы на некоторые из поставленных вопросов.
Методология подхода к решению проблемы
С чего мы начнем поиски пригодных для жизни планет в нашей Галактике? Объекты, имеющие размеры планет, на расстояниях ближайших к нам звезд нельзя обнаружить оптическим путем даже при наиблагоприятнейших условиях с использованием 5-метрового телескопа Паломарской обсерватории — самого большого в мире “глаза”, устремленного в Космос*).
Мы предполагаем воспользоваться следующим подходом: там, где можно, будут использованы все имеющиеся в нашем распоряжении фактические данные и известные зависимости; там же, где в наших познаниях есть пробелы, приемлемые выводы будут основываться на моделях, построенных по наблюдениям условий в Солнечной системе. Если прямых данных нет, неизбежно придется полагаться на теорию: повсюду во Вселенной должны выполняться все известные физические и химические законы.
*) Заканчивается сооружение 6-метрового телескопа на Северном Кавказе, но и он не сможет “увидеть” планеты других: систем. (Прим, ред.)
В прошлом немало серьезных исследователей высказывали чисто гипотетические предположения о существовании жизни на других планетах (Персивал Лоуэлл (1908), Спенсер-Джонс (1949), Харлоу Шепли (1959), Хубертус Страгхолд (1955) и др. *), но, вообще говоря, предмет обсуждения рассматривался только качественно. Наша задача состоит именно в том, чтобы попытаться найти оправданные количественные параметры, с помощью которых можно затем оценить распространенность пригодных для жизни планет. Поставив такую цель, необходимо достаточно точно определить, что понимается под пригодной для жизни планетой. Можно представать себе несколько различных категорий таких планет: планеты, которые могли бы способствовать поддержанию какой-либо неизвестной формы жизни; планеты, пригодные для обитания микроскопических форм жизни, основанной на углероде (такую жизнь мы знаем), и планеты, на которых могли бы существовать различные экстремальные формы земной жизни. Однако мы имела в виду планету, пригодную для жизни человека. Это устраняет всякие спекуляции относительно организмов, живущих в морях из жидкого аммиака или дышащих парами серы, или существующих при каких-либо других чужеродных условиях. Более того, пользуясь термином “пригодная для жизни планета”, мы имеем в виду планету, условия на поверхности которой естественно подходят для обитания человека, т. е. не нуждающуюся в грандиозных технических усилиях для переделки ее атмосферы или ее поверхности, чтобы там могло жить много людей.
Приняв данный план, мы сначала охарактеризуем предельные параметры окружающей среды, необходимые для существования людей. Затем попытаемся обрисовать тот комплекс астрономических факторов, которые создают эта условия, наконец, оценим, какова вероятность того, что комплекс этих астрономических факторов может быть реальным где-то в Галактике и может быть обнаружен непосредственно в окрестностях Солнца.
*) В советской литературе этот вопрос наиболее подробно рассмотрен И. С. Шкловским в книге “Вселенная, жизнь, разум”, изд. 3-е, “Наука”, 1973. (Прим. ред.)
Будет показано, что на ряд поднятых здесь вопросов в настоящее время точно ответить нельзя из-за недостаточности наших знаний о Вселенной. Поэтому многие выводы, сделанные в книге, следует рассматривать как предварительные — основанные на предпосылках и предположениях, которые, хотя и представляются разумными при современном состоянии науки, могут в конце концов оказаться неверными.
В ходе нашего исследования мы будем иногда делать выводы, явно основанные на предположениях. Чаще всего будет использоваться подход, основанный на убеждении (которое в свою очередь базируется на многочисленных собранных по крупицам данных), что наша Солнечная система — не какое-то исключительно редкое явление объединения тел, а довольно типичный случай, члены же нашей планетной системы могут рассматриваться как типичные образцы тел, существующих в окрестностях других звезд. Мы постараемся сделать все от нас зависящее, чтобы дать разумный ответ на следующий вопрос: “что можно в данный момент (вполне сознавая неполноту наших знаний) сказать о распространенности пригодных для жизни планет в нашей Галактике?”.
Солнечная система
Что касается других планет Солнечной системы, то ни одна из них вообще не представляется пригодной для жизни человека (в принятом определении этого термина). Нет сомнения, что временные или даже постоянные с герметической защитой от внешних условий поселения будут созданы на Луне и Марсе, но вряд ли когда-либо они станут полностью независимыми от поставок с Земли.
Чем же плохи другие планеты Солнечной системы? Почему их нельзя считать пригодными для жизни людей? Ответы на эти вопросы будут ниже рассматриваться подробно, здесь же мы сформулируем лишь краткие выводы.
Меркурий слишком мал, чтобы сохранить годную для дыхания атмосферу. Так как он находится очень близко к Солнцу, его вращение вокруг своей оси сильно затормозилось, почти остановилось, в результате его сутки стали даже длиннее его года *). Освещаемая Солнцем сторона Меркурия слишком горяча, его ночная сторона слишком холодна.
Венера, хотя и обладает подходящим размером (массой), но находится все же довольно близко к Солнцу. Поэтому она, вероятно, уже потеряла большую часть воды, которая была выделена вследствие вулканической деятельности на протяжении ее предшествующей истории. В атмосфере ее, по-видимому, содержится слишком много углекислого газа, чтобы такая атмосфера оказалась совместимой с возможностью жизни человека, а температура ее поверхности, очевидно, слишком высока**).
Наш спутник — Луна,— хотя и находится на соответствующем для возможности жизни людей расстоянии от Солнца, слишком мал, чтобы сохранить или создать вторичную атмосферу, пригодную для жизни. Так как Луна вращается медленно, днем на ней слишком жарко, а ночью — слишком холодно.
Марс слишком мал, чтобы создать или удержать атмосферу, подходящую для человека. Он так далек от Солнца, что даже если бы он был достаточно массивен, средняя температура его поверхности была бы, вероятно, все же слишком низка, чтобы считать эту планету пригодной для жизни.
Среди остальных планет Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун настолько массивны, что они смогли сохранить чрезвычайно толстые атмосферы, но состоящие главным образом из водорода и гелия. Кроме того, они очень удалены от Солнца. Спутники больших планет малы и на них слишком холодно. Температура поверхности Плутона также очень низка.
*) Период вращения Меркурия вокруг его оси равен 2/3 длительности
его года, т. е. 58,6 земных суток. (Прим. ред.)
**) Обилие углекислого газа в атмосфере Венеры и ее высокая поверхностная температура
подтверждены исследованиями на советских автоматических станциях “Венера”.
(Прим. ред.)
Из всех планет Солнечной системы Марс лучше других соответствует нашему определению пригодной для жизни планеты. Однако совершенно независимая от Земли жизнь людей на Марсе невозможна, хотя весьма вероятно, что из его горных пород можно добывать воду, можно найти способы выращивания пищи, а люди могли бы жить в герметически закрытых оранжереях с пригодной для дыхания атмосферой. Что же касается собственно марсианской жизни, то она должна быть мелкомасштабна или даже микроскопична прежде всего из-за крайней недостаточности воды на поверхности Марса.
Итак, в нашей Солнечной системе нет никакой надежды найти планету, пригодную для жизни. Поэтому нам предстоят поиски планет, обращающихся вокруг других звезд.
Глава 2
НЕОБХОДИМЫЕ УСЛОВИЯ
ДЛЯ ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА
Что такое пригодность для жизни человека?
Вернемся к нашему определению пригодной для жизни планеты, т.е. планеты, на которой могло бы жить много людей, не нуждаясь в чрезмерной защите от условий окружающей природы, имея в виду, что люди должны там существовать независимо от доставки материалов с других планет. Иными словами, планета, называемая пригодной для жизни*), должна удовлетворять всем физическим потребностям человека и обеспечивать такие окружающие условия, которые люди могли бы назвать удобными и приятными для жизни. В настоящее время нам известна единственная такая планета — Земля. Тем не менее разумно предположить, что может существовать множество других планет во Вселенной, на поверхности которых имеется подходящее сочетание окружающих условий и на которых люди могли бы жить с таким же удовольствием и столь же привольно, как и на Земле. Одна из целей этой книги — определить количественно и по возможности точнее, в каких астрономических условиях должна находиться планета, чтобы ее можно было отнести к “пригодным для жизни”. Начнем с того, что перечислим все специфические требования к планетам для рассмотрения их как пригодных для жизни людей.
*) В оригинале автор употребляет термин “habitable”. (Прим. ред.)
Температура
Хотя люди и могут переносить в течение коротких промежутков времени крайние жару и холод, пользуясь разного рода одеждой и прочей изоляцией, но все же существует определенный диапазон температур, который человек предпочитает для своего повседневного существования. Это обстоятельство демонстрируется рис. 2, который показывает, какой процент населения нашей планеты живет в различных областях на поверхности Земли в зависимости от среднегодовой местной температуры.
Рис. 2. Распределение населения земного шара по температурным зонам.
1 — процент площади Земли, имеющей данные значения средних годовых температур, 2 — процент населения, проживающего в областях с данной среднегодовой температурой.
Из рисунка видно, что люди предпочитают жить в областях, где средняя годовая температура лежит примерно между 4 и 27 °С; по существу же все население мира обитает в районах, где средняя годовая температура заключена между 0 и 30 °С. Конечно, столь узкий диапазон температур диктуется не только желанием людей жить с удобствами, но также и тем фактом, что эти средние температуры лучше всего переносятся сельскохозяйственными культурами и домашними животными, от которых зависит пища человека.
Очевидно, температура — не единственный параметр, который определяет, где человек хочет жить или все-таки живет. Такие факторы, как запасы воды, влажность, распределение выпадения осадков, количество почвы, запасы энергии, наличие гаваней, высота, рельеф местности, политические соображения и близость к другим народам также имеют важное значение. Но температура является главенствующим фактором.
Известны многие живые организмы, которые терпимо относятся к высоким температурам, а также такие, которые хорошо переносят низкие температуры. Приведем ряд примеров (Спектор, 1956), Некоторые цианофиты (сине-зеленые морские водоросли), особенно Oscyllatoria filiforms, жили в воде при температуре 85 °С. Другие цианофиты, Mastigolocladus laminosus, сохраняют жизнеспособность при максимальное температуре окружающей их естественной среды в 65 °С, а переносимый ими минимум температур достигает 20 °С. Утки оставались в живых в течение 16 суток при температуре воздуха —40 °С. Крупный рогатый скот выдерживал 2 недели температуру — 13 °С, а в других экспериментах 24 часа температуру — 41 °С. Имеются сведения о том, что у водяной змеи (Nadrix sipedor) диапазон переносимых температур заключен в пределах от 0 до 43 °С. Американский таракан (Periplaneta Americana) оставался живым в течение 24 часов при —49 °C. Арктическая сосна (Abies excelsa) продолжает фотосинтез в температурных пределах от —40 до +30°С, тогда как северный лишайник (Cladonia rangiferina) имеет диапазон активного фотосинтеза от —20 до +38°С, Вьюнок активно живет в температурном интервале от 10 до 60 °С.
Можно привести другие примеры предельных для выживания организмов температур (Троицкая, 1952): растения в большинстве прекращают свои функции про температурах ниже 0°, но способны перенести температуры вплоть до -57 °С, или даже -62 °С и сохранить затем жизненные функции. Семена некоторых растений могут противостоять температурам даже вплоть до -190 °С.
Все это свидетельствует о замечательной приспособляемости некоторых форм растительной и животной жизни к температурным условиям. Тем не менее преобладающее большинство существенных пищевых злаков в период сезона их роста нуждается в температурах от 10 до 30 °С. Для прорастания семян большинства травяных и водных растений требуются температуры в пределах от 10 до 30 °С. Большинство рыб не может переносить температуру воды заметно ниже 0° или выше 30 °С.
Рис. 3. Примерные временно-температурные условия выживания для человека с учетом оптимальной одежды.
В общем, хотя некоторые стойкое виды растений и животных могут противостоять более или менее продолжительное время очень высоким или очень низким температурам, а отдельные виды приспособились к жарким или холодным окружающим условиям, большинство растений и животных, необходимых человеку в качестве источников питания или поставщиков кислорода через фотосинтез, требует для выживания и активного роста температур выше точки замерзания воды и ниже 30 °С. Наряду с предельными с точки зрения условий для жизни людей среднегодовыми температурами существуют предельные в том же смысле суточные колебания температуры, испытываемые в самое теплое и самое холодное время года, и что, может быть, еще важнее,— пределы колебаний температуры в течение одних суток. С учетом принятых для человека предельных значений температуры (рис. 3) и полагая, что люди не могут оставаться в течение длительного времени безвыходно в помещении, можно считать, что среднесуточные температуры 40 и —10 °С в самое жаркое и самое холодное время года могут рассматриваться как приемлемые предельные значения. Не следует забывать, что колебания температуры в течение суток зачастую сильно превышают или падают гораздо ниже среднесуточной величины. Таким образом, эти предельные значения соответствуют более суровым условиям, чем может показаться на первый взгляд.
Необходимо также иметь в виду, что планету можно назвать пригодной для жизни, если все-таки приемлемая доля площади ее поверхности (по меньшей мере 10%) будет иметь требуемые температурные условия. Поэтому, говоря об ограничениях в отношении температуры, мы будем считать, что данная область поверхности планеты пригодна для обитания только в том случае, если колебания средней годовой температуры заключены между 0 и 30 °С и если наивысшая среднесуточная температура в самое теплое время года ниже 40 °С, а самая низкая среднесуточная температура самого холодного времени года выше —10 °С.
Свет
Та часть видимого человеческим глазом электромагнитного спектра, которую мы называем светом, заключена в основном между длинами волн 380 и 760 ммк. Используя очень интенсивные искусственные источники, мы можем несколько расширить пределы человеческого зрения до крайних значении 310 и 1050 ммк. Внутри этой области, но главным образом в пределах длин волн между 380 и 760 ммк, находится также диапазон зрения других животных, чувствительность растений к свету, ориентация движений животных и, самое важное, фотосинтез всех типов. Изучением этих вопросов занимается фотобиология. Согласно Уолду (1959), диапазон длин волн видимого света должен быть примерно одинаковым повсюду во Вселенной.
Интенсивность суточной освещенности для активного роста земных растений должна иметь некоторые определенные, хотя и не очень четко установленные, предельные значения. Если интенсивность освещенности, например, слишком низка, активный фотосинтез не сможет происходить с достаточно высокой для пользы дела скоростью, а если эта интенсивность слишком высока, рост задерживается вследствие так называемой “соляризации”. Эти нижний и верхний пределы освещения примерно составляют 0,02 и 30 люмен на квадратный сантиметр. (Максимальная освещенность, обусловленная прямым и рассеянным солнечным светом на поверхности Земли, составляет около 15 люмен на квадратный сантиметр.) Самые высокие темпы роста для земных растений соответствуют промежуточным уровням освещенности. Например, было найдено, что для некоторых обычных видов водорослей самые высокие темпы роста соответствуют диапазону 0,3—3,0 люмена на квадратный сантиметр (Краусс и Осреткар, 1961). В то же время человек обладает способностью достаточно хорошо видеть, чтобы перейти из одного места в другое при такой низкой освещенности, как 10-9 люмен/см2, однако освещенность оказывается непереносимой, когда ее уровень поднимается выше примерно 50 люмен/см2 (Вулфек и др., 1958). Это весьма грубая численная оценка очень сложного феномена “переосвещенности”*), поскольку в дополнение к завышенной освещенности следует учитывать много факторов: отражательную способность и относительное расположение поверхностей и объектов в ближайших окрестностях, наличие теней и экранирующих поверхностей и т. д. Даже обычное освещение на поверхности Земли, обусловленное солнечным светом, становится невыносимо ярким, если свет падает на большое поле диффузно отражающего материала с высоким альбедо, например на свежевыпавший снег, вызывая хорошо известное явление снежной слепоты.
*) В оригинале “glare discomfort” — стандартного термина, по-видимому еще нет. (Прим. ред.)
Проведенное выше обсуждение способности человека переносить яркий свет относится к освещенности поверхности, а не к излучению, проникающему непосредственно в глаз. Для оценка выносливости человека, смотрящего прямо на точечный источник света, приходится пользоваться гораздо более низкими величинами освещенности. В этом случае верхний предел, видимо, порядка 0,05 люмен/см2 (Гопкинсон, 1956; Меткалф, 1958), что соответствует звезде видимой визуальной звездной величины около — 21m. Абсолютный нижний предел обнаружения слабых точечных источников невооруженным глазом на очень темном небе составляет примерно 10-13 люмен/см2, что соответствует звезде 8-й величины, хотя при наилучших типичных условиях трудно увидеть звезды слабее чем 6m, 5.
Требования к уровню освещенности, устанавливаемые потребностями растений, сводятся к тому, чтобы в течение сезонов роста средние уровни освещенности днем не выходили за пределы 0,02—30 люмен/см2.
Для роста растений важен и другой фактор — периодическое изменение освещения. Циклы роста растений, особенно в умеренных поясах Земли, определяются среднегодовым распределением температуры, а также относительной или абсолютной продолжительностью дней и ночей. Безусловно, на таких планетах, как Земля, имеющих обычно прозрачную атмосферу и освещаемых раскаленными телами типа Солнца, существует тесная зависимость между температурой и светом. Ниже будет показано, что большинство пригодных для жизни планет должно получать тепло и свет в основном от главного источника одного и того же типа; следовательно, требование об определенном уровне интенсивности света по существу уменьшает число независимых параметров в задаче о выявлении планет, пригодных для жизни.
Тяготение
Медико-биологические эксперименты на больших центрифугах показали, что некоторые люди в течение небольших промежутков времени могут выносить без необратимых изменений относительно высокие ускорения. Например, как показано на рис. 4, ускорение порядка 5 g (пятикратное по отношению к нормальному на поверхности Земли ускорению силы тяжести) может переноситься сидящим человеком, не одетым в специальный “g-костюм”, в течение около 2 минут без временной слепоты (потери зрения, обусловленной недостаточным притоком крови к глазам). Ускорение 4 g можно вынести в течение примерно 8 минут, а при некоторых экспериментах отдельные испытуемое переносили такое ускорение даже в течение часа (Миллер и др., 1958).
Рис. 4. Выносливость человека в зависимости от времени пребывания при большем ускорении силы тяжести, чем на Земле.
Однако участвующие в этих экспериментах люди сидели неподвижно, не шевелясь и не совершая каких-либо действий, привычным для себя образом. В результатах по экспериментам с ускорением 3 g сообщалось о довольно заметной мускульной усталости людей, подвергавшихся испытанию. Другие опыты, проведенные в 1947 г. в клинике Мейо, дают количественное представление об ограничениях, накладываемых увеличением гравитационного поля (Коуд и др., 1947). В этих экспериментах с участием пяти человек при помощи хронометров фиксировалось, сколько требуется этим людям времени, чтобы проползти по краю гондолы центрифуги расстояние порядка 2,3 м при различных используемых ускорениях. Результаты показаны в табл. 1. Хронометрировалась также скорость, с которой им удавалось одеть парашют при различных ускорениях. Средние промежутки времени, необходимые для этой операции трем из этих людей, составили 17, 21 и 41 сек для величин ускорения 1,00 g, 1,4 g и 2,24 g соответственно.
Если нанести на график (рис, 5) полученные данные, усредненные по времени, необходимому, чтобы закончить данное действие, относительно аналогичного времени при 1 g, то можно видеть, что это относительное время зависит от вида действия. Однако можно сделать вывод, что работа, необходимая для выполнения того или иного действия, уже после достижения 2 g оказывается большей, чем при нормальных условиях.
Таблица 1
Время (в секундах), необходимое для передвижения ползком на расстояние 2,3 м при различных ускорениях
|
1,00 g |
1,41 g |
2,24 g |
3,16g |
4,12 g |
|
Самый сильный человек |
1,16 |
2,88 |
5,60 |
9,16 |
18,15 |
|
Самый слабый человек |
1,85 |
7,11 |
14,85 |
21,83 |
… |
|
Среднее для пяти человек |
1,51 |
4,88 |
9,36 |
15,80 |
… |
Эксперименты с животными привели к аналогичным выводам. В Калифорнийском университете Смит и др. выдерживали в центрифугах в течение продолжительных периодов времени цыплят (Тобиас и Слейтер, 1962), которые оказались в состоянии находиться длительное время при ускорениях до 4 g, но теряли в весе, как только ускорение превышало 2,5 g. В этих гравитационных полях скорость сердечных биений возрастала, а частота дыхания падала. Продолжительность жизни небольших животных также, по-видимому, уменьшается в гравитационных полях больше 2 g. У некоторых мышей было замечено увеличение длительности жизни при 1,5—2,0 g (см. Вундер и др., 1962). Как растения, так и насекомые, видимо, могут переносить крайне высокие ускорения силы тяжести (тысячи g). Однако следует признать, что эксперименты на центрифугах с их но необходимости высокими и нарушающими физиологические процессы угловыми скоростями все же неточно воспроизводят линейное гравитационное поле массивных планет.
На основании имеющихся данных можно сделать вывод, что немногие люди выбрали бы жизнь на планете, тяготение на поверхности которой было бы больше 1,25— 1,50 g. Верно, конечно, что многие люди, вес которых на 25—50% больше нормального, живут весьма обычной жизнью и им удается выполнять такую же или даже большую работу, чем многим другим, чей вес очень близко соответствует стандартам для роста и возраста. В то же время, вообще говоря, верно и то, что физическая деятельность сильнее выматывает людей, несущих на себе избыточный груз жира. Избыток веса, конечно, нельзя считать точно соответствующим увеличению ускорения силы тяжести, но влияние избыточного веса на возможности человека может дать нам некоторое представление о строении тела, которое можно ожидать у людей, живущих на планетах с ускорением силы тяжести большим, чем на Земле.
Рис. 5. Время, необходимое для того, чтобы выполнить данное действие по отношению ко времени, необходимому для этой же операции при нормальной земной силе тяжести.
По-видимому, соответствующего нижнего гравитационного предела для выносливости человеческих существ не существует, так как по существу таких данных, из которых следовало бы, что определенный уровень тяготения необходим человеческому организму для нормального физиологического функционирования, нет.
Из рис. 5 можно сделать вывод, что работа в полях с пониженным ускорением силы тяжести потребует несколько меньшего времени (и энергий), чей в поле 1 g. Можно надеяться, что в ближайшее время дополнительные данные по этому вопросу будут получены при выполнении программы космических полетов человека *).
*) Третий экипаж орбитальной станции “Скайлеб” находился в невесомом состоянии 85 суток без каких-либо серьезных вредных последствий для работоспособности и здоровья, (Прим. ред.).
Состав и давление атмосферы
Конечно, планета, должна иметь атмосферу, пригодную для дыхания; в настоящее время такую атмосферу можно довольно полно охарактеризовать ее газовыми составляющими и их концентрацией или парциальным давлением (рис. 6).
Рис. 6. Барометрическое давление в зависимости от содержания кислорода и азота.
В той мере, в какой мы можем судить об этом, существенными ингредиентами пригодной для дыхания атмосферы являются только кислород и небольшое количество водяного пара. Парциальное давление вдыхаемого кислорода должно быть заключено между двумя крайними предельными значениями: нижний предел, ниже которого наступает гипоксия, и верхний предел, выше которого возникает кислородное отравление,
При определении парциального давления вдыхаемого кислорода (или другого газа) в любых конкретных условиях, характеризуемых составом и полным барометрическим давлением, необходимо учитывать, что при вдохе воздух, проходя через носоглотку, также и увлажняется, так что к моменту, когда он достигает легких, он обычно насыщен водяным паром при температуре тела. На этом основании в формулу для определения парциального давления на вдохе вносится поправка:
рО2 (на входе) = (рВ—рН2О)·F02,
здесь рО2 — парциальное давление кислорода воздуха, входящего в легкие, рВ — полное барометрическое (окружающее) давление, рН20 — парциальное давление водяного пара в воздухе, входящем в легкие, F02 — доля (по объему) кислорода в окружающем воздухе. Для давления, выраженного в мм ртутного столба (мм Hg), рН2О предполагается равным 47 мм Hg. Таким образом, при нормальных условиях на уровне моря, где барометрическое давление составляет 760 мм Hg, pO2 = (760-47)·0,2093 = 149 мм Hg.
К нижнему пределу парциального давления вдыхаемого кислорода приближаются обитатели горняцкого поселка Ауканкильча в Чилийских Андах, который расположен на высоте более 5300 м над уровнен моря. По-видимому, это самая большая высота, на которой люда живут оседло (Пью и Уорд, 1954). Этот поселок находится гораздо выше, чем те районы Тибета, большая часть населения которых живет и обрабатывает свою землю на высотах между 3600 и 4800 м. На высоте 5300 м парциальное давление вдыхаемого кислорода составляет всего около 72 мм Hg; тем не менее шахтеры поселка Ауканкильчи ведут весьма деятельную жизнь и явно вполне акклиматизировались в условиях такого низкого кислородного давления.
Чтобы попасть в шахту, в которой работают шахтеры, они ежедневно поднимаются еще более чем на 450 м, т. е, до высоты 5800 м, где парциальное давление вдыхаемого кислорода составляет 68 мм Hg. Но даже и эти условия, вероятно, не являются нижним пределом величины кислородного давления, которое может переноситься людьми как стационарное состояние. По свидетельству альпиниста Оделла “...наш эксперимент убедительно показал, что можно жить и неплохо себя чувствовать в течение неопределенного периода времени на высоте 7000 м (pO2 (на вдохе) = 53 мм Hg)...” (см. Нортон, 1925).
Экспериментально было найдено, что верхний предел парциального давления вдыхаемого кислорода составляет примерно 400 мм Hg (это эквивалентно 56% кислорода в воздухе при давлении на уровне моря). Этот предел достигается при терапевтическом использовании кислорода в лечебных учреждениях, где принятый потолок с точки зрения безопасности составляет 40 % кислорода (Инглас, 1955). В 50-е годы было открыто, что слепота у преждевременно родившихся детей (ретролентальная фиброплазия) часто является следствием избыточно высокой концентрации кислорода в их инкубаторах. Поскольку люди очень различны по степени своей выносливости и даже по приспособляемости к окружающим условиям, не следует искать какой-то единственный набор предельных параметров, применимый ко всем людям. Правильнее было бы считать предельными характеристиками такие, в рамках которых могут жить по крайней мере несколько человек. Следуя этому определению, мы можем положить, что парциальное давление вдыхаемого кислорода должно быть несколько больше 60 мм Hg, но меньше 400 мм Hg.
Парциальное давление вдыхаемого кислорода 60 мм Hg с атмосферой из чистого кислорода соответствует полному барометрическому давлению 107 мм Hg, эквивалентному 0,145 кг/см2. При барометрических давлениях несколько ниже этого уровня в экспериментах с животными и в ряде случаев у людей наблюдалось газовое вздутие тела, обусловленное образованием пузырьков в крови. Полагают, что углекислый газ и водяной пар — главные газы, участвующие в явлении вздутия (Уилсон, 1961).
Существуют вполне определенные разбавители, которые можно примешивать к кислороду в дыхательной атмосфере, и каждый из них имеет свой верхний предел парциального давления на вдохе, который нельзя превышать. Согласно ряду сообщений, когда парциальное давление на вдохе оказывалось выше определенного уровня, наблюдались симптомы наркоза, обусловленного азотом, аргоном, криптоном и ксеноном (все газы химически инертны). Ксеноном даже пользовались на практике как средством анестезии, при хирургических операциях: смесь из 80 % ксенона и 20% кислорода при давления 1 атм порождает бессознательное состояние на 3—5 мин. (Куллен и Гросс, 1951). Еще шире известны наркотические действия углекислого газа. Предполагают, что неон и гелий, а, возможно, и водород, при достаточно высоких уровнях давления также оказывают наркотическое действие. В табл. 2 приведены примерные значения верхнего предела для каждого из разреженных инертных разбавителей в дыхательной атмосфере.
Таблица 2
Примерные верхние пределы допустимых примесей газа в дыхательной атмосфере
|
Газ |
Примерный максимум допустимого парциального давления на вдохе (мм Hg) |
|
Водород |
… |
|
Гелий |
61 000 (?) |
|
Неон |
3900 (?) |
|
Азот |
2330 |
|
Аргон |
1220 |
|
Криптон |
350 |
|
Ксенон |
160 |
|
Углекислый газ |
7 |
Особый случай представляет собой водород: речь может идти только о негорючих смесях водорода и кислорода, но вряд ли можно рассчитывать на существование одновременно и свободного водорода, и свободного кислорода в атмосфере планеты. Данные для гелия и неона получены путем экстраполяции. Известно, что ни один из указанных газов не является необходимым для создания дыхательной атмосферы: следовательно, можно думать, что один из них или они все могут вообще отсутствовать, лишь бы парциальное давление кислорода попадало в пределы соответствующего диапазона. Однако по существу длительные эксперименты с участием людей, которые жили бы в атмосферах, не содержащих инертных газов, до сих пор не проводились, так что нельзя категорически утверждать, что инертные газы не нужны.
(Самый продолжительный эксперимент для людей, выполненный в атмосферах, не содержащих инертных газов, длился 30 дней.) Эволюционное развитие человека происходило в атмосфере, содержащей почти 80% примесей, и возможно, что в определенные периоды жизни какая-то доля инертных газов необходима для правильного функционирования дыхательной системы. Например, случаи Atelectasis'a (коллапс слизистых путей легочных альвеол при определенных заболеваниях дыхательных путей, обусловленных поглощением содержащихся газов) были бы более частым явлением, если бы в воздухе, которым мы дышим, не было инертных газов. Аналогичным образом, поскольку углекислый газ необходим растениям, нужно установить какой-то нижний предел для парциального давления этой составляющей атмосферы. Нормальная концентрация углекислого газа в земной атмосфере составляет 0,03%, что эквивалентно парциальному давлению 0,21 мм Hg. Минимально допустимая величина для поддержания нормальной жизни растений не определялась, но, по-видимому, она составляет примерно 0,05— 0,10 мм Hg. Необходимо также иметь и какое-то количество азота, так как он входит в виде соединений в состав растений и животных. Минимальное нужное количество, вероятно, невелико, но оно неизвестно. Небольшая часть свободного азота в атмосфере Земли постоянно превращается в окислы азота при вспышках молний (по данный Чикагского института защиты от молний за год наблюдается свыше 3 млрд. вспышек молний), в результате чего ежегодно поставляется около 100 млн. т азота в соединениях; в отсутствие этого процесса растительная жизнь на нашей планете не могла бы получать необходимое количество доступного к употреблению азота. Захват азота осуществляется также бактериями, живущими на корнях некоторых бобовых растений, хорошо известных в сельском хозяйстве всех стран мира.
Другие газы в атмосфере планеты, годной для жизни, можно выносить только в очень незначительных количествах. Верхние пределы переносимых концентраций некоторых встречающихся непосредственно в природе или входящих в соединения газов, приведены в табл. 3.
Все газы, перечисленные в табл. 3, химически довольно активны. Поэтому на планете, в атмосфере которой есть и свободный кислород, и водяной пар, вряд ли стоит искать какой-либо из этих газов в виде постоянно присутствующей составляющей, разве лишь в незначительных количествах. Метан в слабой концентрации можно вообще не считать ядовитым, но в атмосфере, содержащей кислород, он будет медленно окисляться и постепенно улетучится. Другие отравляющие атмосферу газы, которых существует немало, нет необходимости рассматривать, так как вряд ли их можно встретить в естественных условиях на поверхности какой-либо планеты в значительной концентрации. Табл. 2 и 3 включают все известные газы, за исключением водяного пара, которые можно было бы потенциально обнаружить в атмосферах планет. Вода же во многих отношениях — особый случай. Прежде всего — это единственное общеизвестное вещество с точкой замерзания в приемлемом для жизни человека диапазоне температур и давлений. Особые свойства воды требуют обсуждения в отдельном разделе.
Таблица 3
Выносимые человеком концентрации отдельных газов
*)Газ |
Пороговые пределы (в миллионных долях объема при давлении 1 атм) |
|
Аммиак NH3 |
100 |
|
Окись углерода СО |
100 |
|
Хлор Cl2 |
1 |
|
Фтор F2 |
0,1 |
|
Формальдегид НСНО |
10 |
|
Хлористый водород HCl |
5 |
|
Цианистый водород HCN |
10 |
|
Сероводород H2S |
20 |
|
Метан СН4 |
50000 **) |
|
Двуокись азота 2NО2=N2O4 |
25 |
|
Окись азота N2O |
24000 |
|
Озон O3 |
0,1 |
|
Сернистый ангидрид SO2 |
5 |
*) Известно, что все перечисленные газы иногда встречаются в природе, за исключением хлора, фтора, формальдегида и цианистого водорода.
**) Нижний предел невоспламеняемости в воздухе на уровне моря; отравляющий предел соответствует болев высокой концентрации.
Из рис. 6 можно видеть, что существует некоторый нижний предел атмосферного давления, необходимый для пригодности планеты к жизни: барометрическое давление для атмосферы из чистого кислорода должно составлять около 0,15 кг/см2. Максимальное переносимое полное барометрическое давление для людей пока еще не определено. Так, например, атмосфера, содержащая 2% кислорода и 98% гелия при общем давлении 10,5 кг/см2, теоретически попадает в “переносимую” область, но в действительности продолжительное пребывание в таких условиях экспериментально не исследовалось. Из общих соображений можно считать, что максимальное полное давление превышает пределы человеческой выносливости, когда плотность газа достигает величины, при которой в воздухе, проходящем через носоглотку, возникает очень сильный турбулентный поток, и работа органов дыхания становится утомительной. Доналд утверждает, что при давлении 8 атм турбулентность становится настолько сильной, что при вдохе через рот ощущаются вихревые течения в воздухе (Отис и Вембауэр, 1949).
Обобщая приведенные выше данные, мы можем сделать следующие выводы: атмосфера планеты, пригодной для жизни, должна содержать кислород, парциальное давление которого на вдохе заключено в пределах между 60 и 400 мм Hg, и углекислый газ, парциальное давление которого заключено между 0,05 и 7 мм Hg. Кроме того, парциальное давление каждого инертного газа должно быть ниже некоторого определенного предела, а содержание отравляющих газов не должно превышать самого незначительного количества. Однако в атмосфере должно содержаться некоторое количество азота, для того чтобы он в виде соединений мог найти себе путь к растениям.
Вода
Без всякого сомнения вода — одно из самых замечательных веществ во Вселенной, и, конечно, она самым неразрывным образом связана с жизнью во всех ее проявлениях.
Классическое эссе о многочисленных особых свойствах воды, которые делают ее уникально соответствующей требованиям живой природы, содержится в “The Fitness of the Environment” Гендерсона (1958). Среди многих других характеристик Гендерсон отмечает замечательные теплорегулирующие свойства воды (ее необычайно высокую теплоту испарения и ее высокую теплоту плавления), ее аномальное расширение при охлаждении ниже 4 °С, низкую плотность льда, несравненные способности воды как растворителя, ее высокую диэлектрическую постоянную и ее высокое поверхностное натяжение. Джеймс Джойс в “Улиссе” в несколько более легкомысленном тоне также рассуждает о замечательных свойствах воды.
Человек со всей его экологией чрезвычайно сильно зависит от воды. Можно категорически утверждать, что пригодная для жизни планета должна иметь довольно большие открытые емкости жидкой воды, так как без океанов не может быть обильного выпадения осадков и, следовательно, не будет грунтовых вод для пополнения запасов пресной воды. Несомненно, довольно трудно точно оценить, каково должно быть отношение площади поверхности океана к общей площади поверхности планеты. Но ясно, что какое-то оптимальное количество воды должно быть на поверхности планеты, чтобы там могли возникнуть водоемы. Если воды будет меньше, чем нужно для этого, то она будет присутствовать или в виде водяного пара, или как вода, абсорбированная на различных поверхностях, или задержанная в трещинах между твердыми частицами горных пород, из которых состоит земная кора. В то же время планета, целиком покрытая водой,— океаническая планета, лишенная суши, едва ли может рассматриваться с точки зрения человека как пригодная для жизни. Увеличение имеющегося на Земле запаса воды в 4 раза привело бы к полному затоплению всех наших континентов.
Весьма существенна также влажность дыхательной атмосферы. Неприятные последствия повышенной влажности при высоких температурах хорошо известны; но возможны также противоположные физиологические эффекты, вызванные крайне низким давлением водяного пара в воздухе, в особенности при высокой температуре. Сочетание таких условий приводит к очень быстрому обезвоживанию слизистых оболочек носа, рта и горла, а длительное непрерывное пребывание при очень низком давлении водяного пара может вообще оказаться фатальным.
Таким образом, на пригодной для жизни планете должна сохраняться вода, и на ее поверхности должны быть открытые водоемы с жидкой водой, но доля площади поверхности, покрытой водой, должна быть немного меньше 90%.
Прочие требования
Сформулированные выше требования к температуре, свету, тяготению, составу атмосферы и давлению, а также требования в отношении воды, являются главными при обсуждении возможности жизни для человека, но существует и ряд других требований человека к окружающим условиям. Кратко охарактеризуем их.
Как уже отмечалось, наряду с высшими формами жизни (человек) должны существовать различные иные формы жизни, так как в конечном итоге питание людей (а вероятно, и существование кислорода в атмосфере) целиком зависит от фотосинтеза в зеленых растениях. Вместе с тем обязательно отсутствие враждебных человеку мыслящих существ, например ранее населявших данную планету, так что определение “планеты, пригодные для жизни человека”, означает планеты, которые еще не “заняты” какими-то другими мыслящими существами. Мы полагаем, что с более низкими формами жизни человек всегда сможет ужиться.
Далее, скорости ветров в пригодных для жизни в других отношениях местностях должны быть умеренными. Места, в которых скорости ветра постоянно имеют силу шторма (около 23 м/сек) и выше, нельзя считать пригодными для жизни.
Аналогично, обычное содержание пыли в воздухе должно быть меньше некоторого определенного установленного уровня. В “Air Force Pamphlet 160-6-1” указывается, что общая запыленность атмосферы не должна превышать 1,8·109 частиц/м3, а для пыли с высоким содержанием кремния (больше 50% свободного кремния) эта величина должна быть не больше 1,8·108 частиц/м3. Если концентрация пыли больше этих пороговых значений, воздух считается вредным.
Таблица 4
Сводка параметров, необходимых для жизни на планете
Параметр |
Переносимый диапазон |
|
Температура |
|
|
среднегодовая °С |
0 — +30 |
|
среднесуточная °С |
—10 — +40 |
|
Оснащенность поверхности (максимальные величины, люмен/см2) |
0,02— 30 |
|
Сила тяжести (по отношению к нормальной на Земле) |
до 1,5 |
|
Состав атмосферы (парциальное давление на входе, мм Hg) |
|
|
кислород |
60 — 400 |
|
углекислый газ |
0,05 — 7 |
|
гелий*) |
0 — 61000 (?) |
|
неон*) |
0 — 3900 (?) |
|
азот*) |
10 (?) — 2330 |
|
аргон *) |
0 — 1220 |
|
криптон *) |
0 — 350 |
|
ксенон *) |
0 — 160 |
|
ядовитые газы |
лишь незначительные количества **) |
|
Водяной пар (парциальное давление; мм Hg) |
25***) |
|
Другие характеристики |
|
*) Если присутствует больше одного инертного ингредиента, максимальные
величины должны быть пропорциональны относительной концентрации.
**) Количество зависят от конкретного газа.
***) Функция температуры.
Главными собирателями носящейся в воздухе пыли служат водоемы планет. Образование капель воды на ядрышках пыли — главный способ удаления пыли из атмосферы. Отсюда следует, что планета, на поверхности которой есть океаны, по-видимому, будет иметь не особенно запыленную атмосферу, а вот планета с турбулентной атмосферой, но без океанов, будет действительно очень пыльным местом.
Затем радиоактивность, или ионизующая радиация,— обусловлена ли она радиоактивными веществами в коре планеты или возникающими в звездах частицами высоких энергий, которым удается проникнуть сквозь атмосферу, должна иметь умеренную интенсивность. Желательная из генетических соображений доза естественного фонового стационарного облучения составляет менее 1 рентген/год или приблизительно 0,02 бэр (биологический эквивалент рентгена) в неделю. (Комиссия по атомной энергии США установила для предприятий атомной энергии стационарный переносимый уровень 0,1 бэр в неделю; средняя интенсивность естественной фоновой радиации на поверхности Земли составляет примерно 0,003 бэр в неделю.) В настоящее время о последствиях длительного стационарного облучения очень малыми дозами известно еще очень немного. Однако при 30—50 рентгенах происходит удвоение скорости мутаций. Если это количество радиации распределить на всю продолжительность человеческой жизни до конца периода размножения, то такая доза аккумулировалась бы при норме порядка 1 бэр/год. Конечно, можно вынести значительно большие дозы и, вероятно, скорость мутаций для людей может быть увеличена гораздо больше чем в два раза по сравнению с существующей без явных болезненных последствий.
К числу других факторов, которые могла бы превратить планету в нежилую, были бы: слишком частые падения метеоритов, слишком сильная вулканическая активность, слишком частые землетрясения, а возможно, слишком интенсивная электрическая активность (молнии).
Сводка параметров пригодных для жизни частей планет приведена в табл. 4 .
Сформулировав основные требования людей к окружающим условиям, рассмотрим теперь планеты во всем многообразии их свойств, как тех, которые уже известны, так и тех, существование которых можно постулировать. Поскольку диапазон условий, которые существуют на поверхности планет, не безграничен, можно попытаться оценить, в какой мере эти условия соответствуют требованиям человека.