Куда девается вода на Марсе

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?

Орбита Марса

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.

Концентрация водяного пара в атмосфере в зависимости от солнечной долготы (Ls, значения 240-300 соответствуют лету в южном полушарии), высоты (Altitude) от поверхности и географической широты (Latitude). Нисходящие потоки – синие, восходящие – красные

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.

Для того, чтобы быть в курсе новостей в сфере науки, подписывайтесь на наш Telegram-канал.