Обнаружен новый круговорот воды на Марсе

Если раньше Марс был планетой, богатой водой - которую вполне можно было сравнить с нашей Землей - то сегодня он, если судить по его поверхности, совершенно сухой. И вот теперь российские и немецкие планетологи представили свою версию, как Марс мог потерять свои когда-то обильные водные ресурсы, использовав для этого открытие уникального круговорота воды на Красной планете.

Так Марс мог выглядеть миллиарды лет назад: Часть его поверхности, вероятно, покрывал гигантский океан. © NASA/GSFC

«Примерно каждые два земных года, когда в южном полушарии Марса наступает лето, открывается своеобразное окно», - описывают свою работу исследователи под руководством Дмитрия Шапошникова из Московского физико-технического института вместе с учеными группы Пола Хартога из Института исследований Солнечной системы имени Макса Планка в отраслевом журнале Geophysical Research Letters. - «Только там и только в это время года водяной пар может эффективно подниматься из нижних слоев атмосферы в верхние. И уже там ветры несут редкий газ к северному полюсу. В то время как часть водяного пара распадается и уходит в космос, остальная его часть опускается обратно вниз возле полюсов».

На основе компьютерного моделирования ученые-планетологи показывают, как водяной пар преодолевает барьер холодного воздуха в средних слоях атмосферы Марса и достигает более высоких атмосферных высот. В то же время модели позволяют понять, почему некогда богатый водой Марс, в отличие от Земли, потерял большую часть своей воды.

Подоплека

Миллиарды лет назад Марс был богатой водой планетой с реками и даже огромным океаном. С тех пор соседняя с нами планета сильно изменилась. Сегодня небольшое количество замерзшей воды есть только в почве, а в атмосфере водяной пар встречается только в следах. Согласно расчетов, Марс, вероятно, потерял уже по крайней мере, 80 процентов своих первоначальных водных ресурсов. В верхних слоях атмосферы ультрафиолетовое излучение Солнца расщепляло молекулы воды на водород (H) и гидроксильные радикалы (OH). И уже оттуда водород безвозвратно улетал в космос.

Вертикальное распределение водяного пара на Марсе в течение марсианского года - здесь в 3 часа утра по местному времени. Только когда в южном полушарии стоит лето, водяной пар может достигать более высоких слоев атмосферы. © GPL, Shaposhnikov et al.: Seasonal „Water“ Pump in the Atmosphere of Mars: Vertical Transport to the Thermosphere

Однако измерения космических зондов и космических телескопов показывают, что вода все еще теряется Марсом таким образом. И как это вообще возможно, остается актуальной задачей для ученых. Проблема же представляется в том, что средние слои атмосферы Марса - точно так же, как и тропопауза Земли - должны фактически останавливать дальнейшее поднятие газа вверх. В конце концов, этот атмосферный регион обычно настолько холодный, что водяной пар должен там просто замерзать. Но как же тогда водяной пар достигает верхних слоев атмосферы?

В ходе последнего моделирования российские и немецкие исследователи обнаружили ранее неизвестный механизм, напоминающий своего рода насос: «Модель всесторонне описывает потоки во всей газовой оболочке, которая окружает Марс: от поверхности до высоты 160 километров. И расчеты показывают, что обычно ледяная средняя часть атмосферы становится проницаемой для водяного пара два раза в день - но только в определенном месте и в определенное время года».

При этом решающую роль играет орбита Марса: «Его траектория вокруг Солнца, продолжительностью около двух земных лет, значительно более эллиптическая, чем у нашей планеты. В ближайшей к Солнцу точке (что примерно совпадает с летом в южном полушарии) Марс оказывается на расстоянии примерно в 42 миллионов километров ближе к Солнцу, чем в самой дальней от него точке. Поэтому лето в южном полушарии заметно теплее, чем в северном полушарии».

То есть, если в южном полушарии господствует лето, местный пар может подниматься тогда в определенное время дня с более теплыми воздушными массами и достигать верхних слоев атмосферы. Уже в верхних слоях атмосферы воздушные потоки переносят газ по долготе к Северному полюсу, где он охлаждается и опускается обратно. Однако часть водяного пара избегает этого цикла, когда под воздействием солнечного излучения молекулы воды распадаются и водород из них попадает в космос.

Снова и снова на Марсе возникают пыльные бури, которые покрывают всю планету, как здесь, в июне 2018 года. Фотография была сделана марсоходом NASA Curiosity. Штормы такого рода могут способствовать переносу воды в самые верхние слои марсианской атмосферы. © NASA

И еще одна марсианская особенность может также усугублять необычный круговорот воды: мощные пыльные бури, охватывающие планету, обрушивающиеся на Марс с интервалами в несколько лет. Последние глобальные бури такого рода имели место в 2018 году и в 2007 году, и они были подробно зафиксированы космическими аппаратами на орбите Марса. «Количество пыли, которая циркулирует в атмосфере во время такой бури, облегчает перенос водяного пара в высокие атмосферные слои».

Ученые подсчитали, что во время пыльной бури в 2007 году верхних слоев атмосферы в южном полушарии Марса достигло вдвое больше водяного пара, чем тем же летом без шторма: «Когда частицы пыли поглощают солнечный свет и нагреваются, температура во всей атмосфере повышается до 30 градусов. Наша модель с беспрецедентной точностью отображает, как пыль в атмосфере влияет на микрофизические процессы, связанные с превращением льда в водяной пар».

«И марсианская атмосфера, по-видимому, более проницаема для водяного пара, чем атмосфера Земли», - заключают исследователи. - «А новообнаруженный сезонный круговорот воды в значительной степени способствует тому, что планета продолжает терять воду».