Физики объяснили появление воды на больших высотах в атмосфере Марса, приводящее к её «бегству» в космическое пространство.
Американский спутник MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN — «Эволюция атмосферы и летучих веществ на Марсе») и космический телескоп «Хаббл», обнаружили на Марсе периодические потоки атомов водорода, «убегающие» из верхних слоев атмосферы в космическое пространство. Но в атмосфере Марса водорода нет, следовательно, его источником может быть только вода, распадающаяся под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца на кислород и водород. Но как она оказалась на высотах 70–80 км от поверхности и выше?
Проблема в том, что атмосфера красной планеты холодна и разрежена, ведь Марс расположен значительно дальше от Солнца, чем Земля, и масса его атмосферы примерно в 200 раз меньше земной. В марсианских условиях вода в атмосфере замерзает, образуя облака, состоящие из мелких кристалликов льда. Поскольку кристаллики льда достаточно тяжелы, вода в атмосфере Марса в основном должна находиться в нижнем слое атмосферы, на высотах ниже 60 км. Это напоминает земную атмосферу на больших высотах. На Земле подобные облака, называемые перистыми, образуются на высотах примерно 6-12 км от поверхности. Что же заставляет воду пониматься значительно выше на недоступную высоту?
На этот вопрос ответили физики из России, представляющие МФТИ и Институт космических исследований, и Германии. Они выдвинули гипотезу о существовании своеобразного солнечного «насоса», «закачивающего» воду вверх и объяснили его природу и особенности поведения. Согласно наблюдениям, количество атомов водорода, улетающих в космическое пространство, возрастает во время летнего солнцестояния в южном полушарии и при пылевых бурях. Причем колебания концентрации воды в верхних и нижних слоях атмосферы происходят одновременно. Разработанную модель исследователи проверили с помощью численного моделирования. Она хорошо согласуется с наблюдениями и позволяет объяснить ряд ранее непонятных явлений в атмосфере Марса. Об этом они рассказали в журнале Geophysical Research Letters.
Вода на Марсе в основном сосредоточена в нижних слоях атмосферы, но она может «просочиться» наверх, попав в небольшой восходящий поток воздуха. Он расположен между 20° и 70° южной широты, в основном в высоких широтах выше 60°, и существует лишь в летнее время для южного полушария, когда Марс оказывается в перигелии — ближайшей к Солнцу точке орбиты. Дело в том, что орбита Марса более вытянута по сравнению земной, которая почти круговая. При этом пик лета в северном полушарии приходится на положение планеты в афелии – наиболее отдаленной от Солнца точке орбиты. А она на 40 миллионов километров дальше перигелия. Поэтому лето в южном полушарии гораздо теплее, чем в северном полушарии, и именно там возникает в атмосфере восходящий поток. Одновременно лёд на поверхности Марса в южных широтах интенсивно испаряется, и водяной пар поднимается до высоты 40 км. Выше он образует облака из ледяных кристалликов.
Авторы образно назвали место возможного подъёма воды «бутылочным горлышком». Если воде удается его преодолеть, сезонные ветра несут её на север, к полюсу. По пути некоторая её часть распадается под действием солнечного ультрафиолета на водород и кислород, а основная, вместе с остывающим воздухом, вновь опускается в нижние слои атмосферы и конденсируется в районе северного полюса.
Помогают подъёму воды солнечные приливы. На Земле за приливы отвечает гравитация Луны, однако спутники Марса Фобос и Деймос слишком малы, поэтому влияние притяжения Солнца значительно больше. В результате днем в марсианской атмосфере возникает «отлив» – восходящий поток водяного пара, а вечером происходит «прилив» – нисходящий поток. Солнце работает как насос, который, «включаясь» днем, помогает воде преодолеть высоту в 60 км над поверхностью.
Достаточно сложным образом влияют на кругооборот воды марсианские пылевые бури, порой охватывающие собой всю планету. С одной стороны, загрязненный пылью воздух сильнее нагревается, что препятствует конденсации воды. С другой стороны, на частицах пыли легче формируются ледяные кристаллики и, следовательно, образуется больше облаков. И, наконец, бури оказывают влияние на движение воздушных потоков. В итоге при пылевой буре концентрация влаги в воздухе и скорость воздушных потоков выше, поэтому «насос» способен поднять больше воды на большую высоту. Ледяные облака при этом становятся более плотными и располагаются выше. Таким образом, повышенное содержание пыли в воздухе помогает воде преодолеть «бутылочное горлышко» и попасть в верхние слои атмосферы.
Возможно, этот процесс способствовал потере Марсом воды со своей поверхности. Кроме того, исследование показало, насколько существенными для глобального климата могут оказаться процессы в полярных областях планеты. Это может оказаться полезным для понимания процессов, происходящих в атмосфере Земли.
Работа была поддержана Российским научным фондом.
По материалам пресс релиза МФТИ.