Ученые воспроизвели зарождение метана в межзвездных молекулярных облаках
Новости партнеров
Международная группа астрономов в лаборатории Лейденского университета (Нидерланды) экспериментально подтвердила, что метан может образовываться на частицах ледяной пыли в космосе. Само предположение было выдвинуто уже давно, но доказательств не было, поскольку воспроизвести космические условия достаточно трудно. Исследователи представили свои выводы в журнале Nature Astronomy.
Метан, известный нам как основное соединение природного газа, является одним из самых простых углеводородов. Он состоит из атома углерода с четырьмя атомами водорода: CH4. На Земле мы в основном знаем метан как горючий газ, который образуется из разлагающегося органического материала. Он также присутствует в космосе в виде газа, жидкости или льда. Например, Нептун и Уран содержат, помимо водорода и гелия, в основном газообразный метан. На луне Сатурна Титане идут дожди из сжиженного метана. А за пределами нашей системы в межзвездном пространстве метановый лед входит в десятку самых распространенных льдов.
Преобладающее мнение о том, как метан создается в космосе, заключается в том, что сначала образуется соединение СН, затем СН2, СН3 и, наконец, СН4. В газовой фазе эта реакция идет медленно. Но поскольку метан образуется на зерне ледяной пыли, сама пылинка помогает ускорить процесс формирования. В часности, пылевые зерна обеспечивают место «притяжения» для атомов, увеличивая их вероятность встретиться друг с другом на просторах космоса. Они также могут поглощать энергию, получаемую в результате химических реакций, которые в противном случае могли бы разрушить молекулы, такие как метан.
Но это теория, а что происходит на практике?
Исследователям из Лаборатории астрофизики Лейденской обсерватории впервые удалось получить метан в условиях, соответствующих космической среде, позволив атомам водорода сталкиваться с атомами углерода при температуре минус 263 градуса Цельсия в условиях сверхвысокого вакуума на ледяной поверхности. Ранее им удавалось получить воду (H2O) и аммиак (NH3) аналогичным образом, однако реакции с атомами углерода оказались более сложными.
«Трудно провести эксперимент с атомами углерода. Он довольно «липкий», поэтому сложно создать контролируемый пучок его чистых атомов», – объясняет ведущий автор исследования Данна Касим, аспирант Лейденской обсерватории.
Ученые варьировали условия в своих экспериментах. Это позволило им точно выяснить, как и насколько эффективно образуется метан в результате реакции атомов углерода и водорода. Было обнаружено, что замороженный метан лучше формируется в богатой водой среде. Это согласуется с астрономическими наблюдениями, которые показывают, что метановый и водяной льды в космосе должны образовываться одновременно.
Исследованные процессы имитируют условия, которые существуют в космосе до образования новых звезд и планет. Они подтверждают, что метан, который мы видим на планетах, таких как Уран или Нептун, был, вероятно, доступен задолго до формирования нашей Солнечной системы.
Источник
Межзвездный газ
Распределение ионизованного водорода в галактической межзвездной среде, которая видна из северного полушария Земли.
На межзвездный газ, при кажущейся пустоте незаполненного пространства Вселенной, приходится почти 99% от совокупной массы всех космических объектов.
Общие сведения
Ближайшие окрестности Солнца
Вселенские просторы, в которых светила занимают ничтожно малую часть, далеко не так пустынны, как считалось долгое время. Хотя и в небольших количествах, но везде присутствует межзвездный газ, наполняя собой все уголки мирозданья. В эллиптических галактиках его концентрация снижена, в иррегулярных, наоборот, повышена. Он смешан с межзвездной пылью и активно участвует в процессах образования новых звезд, которые в конце своего жизненного цикла возвращают Вселенной этот строительный материал. Таким образом происходит своеобразный обмен веществом между светилами и межзвездным газом. Цикличность этих процессов постепенно приводит к уменьшению его количества в космосе, при увеличении объемов содержания тяжелых элементов в его структуре. Но для существенных изменений в этой области требуются миллиарды лет. По приблизительным оценкам, ежегодное количество газа, задействованное в Галактике при формировании звезд, равняется 5 солнечным массам.
Состав, структура и протекающие процессы
Объект Хербига-Аро 110 выбрасывает газ в межзвездное пространство
Плотные и холодные формы межзвездного газа, содержащие водород, гелий и минимальные объемы тяжелых элементов (железо, алюминий, никель, титан, кальций), находятся в молекулярном состоянии, соединяясь в обширные облачные поля. Если же в составе вещества доминируют ионизированные или нейтральные атомы водорода, оно участвует в образовании светящихся эмиссионных туманностей, окружающих горячие звезды. Температурные характеристики межзвездного молекулярного газа лежат в диапазоне от -269 до -167°С, а его излучение охватывает довольно широкий спектр, включающий и жесткие гамма-лучи, и длинные радиоволны. Средняя плотность имеет ничтожный показатель – на 1 см куб. приходится менее одного атома вещества. Но есть и исключения, в тысячи раз превосходящие эти параметры. Обычно в составе межзвездного газа элементы распределены следующим образом: водород – 89%, гелий – 9%, углерод, кислород, азот – ок. 0,2-0,3%.
Газопылевое облако IRAS 20324+4057 из межзвездного газа и пыли длиной в 1 световой год, похожее на головастика, в котором скрывается растущая звезда.
В обширных областях разряженного и горячего газа температура среды достигает 1,5 млн. градусов Цельсия, сопровождаясь рентгеновским излучением. Такие газовые объекты участвуют в формировании звезд-гигантов, провоцируют взрывы сверхновых, радикально влияют на межзвездную среду, заставляя ее расширяться. Планетарные или эмиссионные туманности из межзвездного газа светятся благодаря находящемуся в их центре или рядом с ним ядру стареющей звезды или горячим молодым светилам.
В результате исследований ученые обнаружили факт хаотичности скоростей в движении подобных образований. Облака межзвездного газа могут не только упорядоченно вращаться вокруг галактических центров, но и обладать нестабильным ускорением. В течение нескольких десятков миллионов лет они догоняют друг друга и сталкиваются, образуя комплексы из пыли и газа. Такие объекты имеют достаточную плотность, чтобы защитить свои глубины от проникающего космического излучения. Этим объясняются более низкие температуры внутри газопылевых комплексов по сравнению с межзвездными облаками. Гравитационная неустойчивость объектов постоянно влияет на процесс молекулярных преобразований в их составе и со временем приводит к формированию протозвезд.
Расположение в нашей Галактике
Распределение нейтрального водорода в Галактике
Максимальная концентрация межзвездного газа в нашей Галактике наблюдается в районах, удаленных от ее центральной части на 5 кпк. Его процентное содержание в общем объеме ее массы равняется 2. Толщина слоя максимальна на периферии, уменьшаясь к центру. Около половины массы межзвездного газа приходится на огромные молекулярные облака, находящиеся на расстоянии 4-8 кпк от галактической оси. Самые плотные образования составляют туманности, которые наиболее заметны и доступны для исследований. Размеры облаков из межзвездного газа могут достигать значений около 2 тыс. световых лет.
Наблюдение и его методы
Вояджер-1 — первый искусственный объект достигший межзвездной среды
Межзвездный газ, обладая высокой разреженностью и широким температурным диапазоном, изучается с помощью нескольких способов. Особый интерес в этом плане представляют светлые газовые и газопылевые туманности, так как их визуальные характеристики значительно упрощают процесс оптических наблюдений. В число методов, позволяющих получить разнообразную информацию о состоянии и структуре межзвездного газа, входят исследования:
- непрерывного радиоизлучения;
- межзвездных оптических и УФ линий;
- пространственного распределения молекул;
- рентгеновского, ИК и гамма излучений;
- параметров межзвездного ветра;
- мерцаний пульсаров.
Материалы по теме
Пояс Ориона
Комплексный подход к изучению межзвездного газа позволил определить многие его свойства и параметры. К объектам, дающим оптимальную возможность наблюдать МГ на нашем небосводе, относится созвездие Ориона, где находится эмиссионная туманность М42.
Интересные факты
- Галактический газовый диск изогнут на периферии.
- Основной объем межзвездного газа сосредоточен в спиральных рукавах, один из коридоров которых расположен рядом с Солнечной системой.
- В разреженном МГ, подвергаемом действию космических излучений, обнаружена зависимость показателей температуры, давления и объема электронов от плотности концентрации водорода.
- К самым мощным факторам, влияющим на структурные процессы в межзвездной газовой среде, относятся спиральные ударные волны.
- Энергия вспышки сверхновой способна пробить пространство галактического диска, вызвав тем самым отток МГ в свободное пространство Вселенной.
- В теории молекулярные газовые облака за период в чуть более 100 лет должны превращаться в звезды. Но на практике существует множество факторов, замедляющих этот процесс.
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Запись опубликована: 27.06.2015
Автор: Максим Заболоцкий
Источник
Экомониторингом из космоса может заняться одна из заложенных в «Сфере» группировок
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ, 17 июня. /ТАСС/. Роскосмос рассматривает два варианта мониторинга из космоса выбросов CO2: создание отдельной группировки или оснащение специальным оборудованием космических аппаратов, уже заложенных в программе «Сфера». Об этом сообщил ТАСС генеральный директор Роскосмоса Дмитрий Рогозин.
Глава госкорпорации отметил, что для мониторинга выбросов CO2 по теме так называемых углеродных единиц, о которых говорил президент РФ Владимир Путин, потребуется создание специального оборудования для спектрального анализа.
«Либо мы эти элементы наблюдения поставим на одну из существующих группировок, заложенных в «Сфере», либо мы это сделаем как отдельный космический аппарат, дополним «Сферу» компактной группировкой», — отметил Рогозин на полях Глобальной конференции по исследованию космического пространства GLEX-2021.
По словам гендиректора Роскосмоса, решение по этому поводу пока не принято. «В течение ближайшей недели в соответствии с моим поручением АО «РКС» должны внести свои предложения по установке такого рода оборудования на нашу перспективную группировку», — пояснил глава госкорпорации, добавив, что окончательное решение будет принято до осени.
Рогозин напомнил, что некоторые российские спутники («Канопусы», «Метеоры», «Аист») уже занимаются экомониторингом. Они в том числе контролируют с орбиты пожары, разливы рек, подтопления. Новое оборудование позволит засекать выбросы CO2, парниковые эффекты, математически обрабатывать эту информацию.
«Для России это крайне важно, потому что она среди трех стран (плюс Бразилия и Канада), которые являются главными «легкими» для всей нашей планеты, для всего человечества. Поэтому мы хотим понимать, какой у нас баланс внутри страны с выбросами, какие проблемы создают для нас наши соседи, которые иначе относятся к вопросам экологии», — отметил глава Роскосмоса.
Углеродные единицы
В начале июня президент РФ Владимир Путин на Петербургском международном экономическом форуме отметил, что в мире создается принципиально новый рынок, где будут обращаться так называемые углеродные единицы. По его словам, это своего рода актив, который характеризует объем поглощения вредных выбросов в атмосферу участком земли или лесом. Президент добавил, что уже сегодня многие страны и объединения планируют принимать эти единицы от экспортеров, компенсируя выбросы от производства ввозимых товаров.
Источник
3 способа получения кислорода в космосе
С начала 21 века люди все чаще грезят полётами в космос и космической колонизацией. Каких только идей не встретишь на просторах интернета и, в частности, «Яндекс Дзена». Кажется, что люди готовы заселить всё, начиная от Луны и Марса, заканчивая Венерой, Титаном и даже неизведанными планетами звёздной системы Альфа Центавра.
Казалось бы, что там?! Сел на ракету, долетел до пункта назначения, успешно высадился и основал колонию, обустроив её всем самым необходимым для жизнеобеспечения. С чего нужно начать? Правильно! С кислорода! То, без чего человек не сможет жить вовсе.
Давайте с Вами рассмотрим, каким вообще образом можно получить кислород в космосе.
1. Электролиз воды.
Самое простое, что только можно придумать. Данным способом происходит генерация кислорода на МКС (Международной Космической Станции).
В ходе электролиза (реакции выделения составных компонентов при прохождении электрического тока) воды, исходное вещество раскладывается на кислород и водород. Первый компонент используется для осуществления дыхания на борту станции, а второй (водород) попросту удаляется за борт (что на мой взгляд является расточительством, но не будем спорить с конструкторами из НАСА).
Всё просто! При пропускании тока катод притягивает катионы водорода, а анод анионы OH. В результате химико-физической реакции выделяются кислород и водород.
Дистиллированная вода является слабым электролитом. По этой причине для повышения электропроводности в неё добавляют 15-20 % щелочь (NaOH или KOH). Для разделения кислорода и водорода используют мембраны.
КПД подобной установки составляет до 70%. Главный недостаток — высокие энергозатраты на получение кислорода подобным образом в космосе. Требуется стабильный мощный источник энергии. На текущий момент на МКС для этого используют энергию солнца. К тому же выброс водорода за борт станции также является нецелесообразным.
Открытие на Марсе залежей подземных вод и льда делают получение кислорода с помощью электролиза воды самым подходящим способом, так как не требуют поставок с Земли. Достаточно лишь обеспечить установки энергией, которую можно получить с помощью солнечных батарей.
Можно ли как-то усовершенствовать процесс получения кислорода в космосе?
2. Реакция Сабатье.
Для протекания электролиза требуется наличие исходного сырья — воды. В условиях дальних космических полётов пополнение запасов может показаться роскошью, а использование дополнительного резервного объема значительно утяжеляет и без того тяжелую конструкцию. При этом за борт регулярно выбрасывается водород, так же, как и выдыхаемый экипажем углекислый газ.
Суть реакции Сабатье заключается в том, чтобы использовать образующиеся остатки с целью повторного получения воды.
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O + энергия
Полный цикл можно изобразить в виде:
2H2O → O2 + 2H2 (электролиз) → (дыхание) → CO2 + 2H2 + 2H2 (добавляется ещё водород) → 2H2O + CH4 (преобразуется в углерод и водород)
CH4 + тепло → C + 2H2
Метан распадается на углерод и водород, восполняющий запасы водорода, для осуществления химической реакции.
Таким образом, можно получить замкнутый контур для получения кислорода и обеспечения жизнедеятельности при полётах в космосе. Единственный недостаток — это потребность в регулярной прочистке реактора Сабатье. Образуемый в ходе химических реакций углерод осаждается на поверхности и со временем её полностью забивает. Другая сложность заключается в необходимости поддержания необходимой температуры для распада метана на компоненты, что требует затрат энергии.
Реакция Сабатье совместно с электролизом рассматривается, как самый экономически целесообразный способ получения кислорода на Марсе.
3. Использование фотокатализаторов.
Если Вы знакомы с физическими основами электроники, то вам должно быть известно, что некоторые полупроводниковые материалы (например, диоксид титана) при помещении в воду способны поглощать фотоны.
Их энергия выбивает электроны из полупроводника, образуя «дырку» (свободную ячейку). Полученные подобным образом электроны взаимодействуют с протонами воды, образуя свободный атом водорода. В свою очередь, «дырка» притягивает электроны воды, высвобождая атом кислорода.
Почему это может быть интересно и полезно для получения кислорода в космосе? Во-первых, интенсивность солнечного света вне атмосферы Земли намного выше, чем на нашей планете. Это даёт огромный потенциал в области генерации кислорода. Во-вторых, подобная установка значительно меньше, чем электролизер. А как мы знаем, от лишней тяжести в космическом пространстве нужно по-возможности избавляться.
Теперь рассмотрим «неприятную» сторону подобной технологии. Многочисленные эксперименты показали, что на Земле с протеканием реакций нет никаких проблем. Они протекают беспроблемно. Но в космосе всё намного сложнее. Там невесомость. В результате вместо высвобождения водорода и кислорода, мы получаем всего лишь пену (побочное действие, связанное с малыми гравитационными взаимодействиями). Т.е. на текущий момент времени на космической станции не получится использовать фотокатализаторы для получения кислорода.
Какие есть выходы из ситуации? Первое, что приходит на ум — создать схожую с земной гравитацию искусственно. По крайней мере исключительно для данной установки. Для осуществления можно задействовать центробежную силу. В данном направлении есть ряд экспериментальных наработок, мы их рассмотрим в отдельной статье. Второй вариант — не использовать полупроводниковые фотокатализаторы для космических полётов, а выделить их для генерации кислорода и водорода в колониях, например, на Марсе, о колонизации которого уже много, кто мечтает.
Понравилась статья?! Тогда Вам будет интересно подписаться на наш канал , где вы найдете еще больше полезной информации.
Источник