Что произошло с водой на Марсе? Кажется, ученые нашли ответ
В 1971 году благодаря миссии «Маринер-9» появились первые свидетельства существовании воды на Красной планете. Кстати, именно тогда Дэвид Боуи спел свою знаменитую песню «Is there life on Mars?». Затем, в декабре того же года на Марс была запущена советская спускаемая автоматическая межпланетная станция (АМС) «Марс-3», в ходе которой было установлено множество факторов, в том числе измерено содержание водяного пара в атмосфере планеты. Сегодня, 49 лет спустя, ученые считают, что миллиарды лет назад Марс был намного теплее и содержал океаны жидкой воды. Но куда делась вся эта вода? Недавно, благодаря космическому аппарату NASA Mars Atmosphere and Volatile Evolution (MAVEN), ученые получили более глубокое понимание атмосферы Красной планеты и, похоже, нашли ответ на этот вопрос. Оказывается, к полному осушению этой планеты привели пылевые бури и особенности ее атмосферы.
В 2001 году пыльная буря охватила весь Марс.
Куда пропала марсианская вода?
В 2017 году исследователи из Оксфордского университета предположили, что большая часть воды заперта внутри марсианских скал, которые впитали жидкую воду, как гигантская губка. Используя метод компьютерного моделирования и данные, собранные о горных породах здесь, на Земле, международная группа ученых пришла к выводу о том, что базальтовые породы на Марсе могут содержать до 25% больше воды, чем эквивалентные породы на нашей собственной планете. Это может помочь объяснить, куда исчезла вода.
«Ученые долго думали над вопросом о том, куда пропала марсианская вода, но мы никогда не проверяли теорию поглощения воды в результате простых реакций горных пород», – слова ведущего автора исследования Джона Уэйда из Оксфордского университета приводит издание Sciencealert.
Вид древней сети речных долин на Марсе
Благодаря различиям в температуре, давлении и химическом составе самих горных пород, вода на Марсе могла быть поглощена скалистой поверхностью, в то время как Земля сохранила свои озера и океаны, пишут авторы работы, опубликованной в журнале Nature. Но скалистые и горные породы вряд ли могли поглотить всю марсианскую воду.
Интересный факт – сегодня, благодаря исследованиям международной команды ученых, мы знаем, что под поверхностью Марса есть система подземных озер. Авторы сразу нескольких научных работ полагают, что вода в этих озерах соленая, но в научном сообществе по-прежнему ведутся споры на этот счет. Ситуация должна проясниться в феврале 2021 года, когда в марсианскую атмосферу войдет китайский орбитальный аппарат «Тяньвэнь-1».
Тайны марсианской атмосферы
Чтобы понять, куда пропала марсианская вода, ученые посмотрели вверх — примерно на 150 километров над поверхностью Марса. Как пишет издание Inverse, изучение этой специфической части атмосферы планеты, а не ее поверхности, имело решающее значение для нового понимания учеными того, что произошло с марсианской водой.
Часть атмосферы, которой заинтересовались ученые, переходит в космос. Как пишут авторы работы, опубликованной в журнале Science, это не какой-то жесткий край, а скорее, плавный переход. Все планеты с атмосферой, включая Землю, имеют такое переходящее пространство, которое мы называем экзосферой – место, где свет от звезд расщепляет нейтральные молекулы на составные части, например, углекислый газ на углерод и кислород.
Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира популярной науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!
И именно в этом переходном пространстве команда обнаружила следы воды. «Это настоящий сюрприз и имеет значительные последствия для понимания того, куда пропала вода с планеты», – пишут авторы исследования. Пылевые дьяволы — согласно новым данным, пыльные бури, поднимающиеся с поверхности Марса, по-видимому, медленно высасывали воду планеты в течение миллионов лет, сметая молекулы воды в дикое путешествие в атмосферу.
Атмосфера Красной планеты – это газовая оболочка. Существенно отличается от земной атмосферы как по химическому составу, так и по физическим параметрам.
Подобное происходит и на нашей планете — испаренные молекулы воды движутся вверх, пока не конденсируются из газа обратно в жидкость, превращаясь в дождевые облака. Место, где этот процесс происходит, называется термопаузой.
Термопауза – верхний слой атмосферы планеты, расположенный над термосферой, характеризующийся переходом к постоянной температуре. Выше расположена экзосфера.
На Марсе термопауза работает не так эффективно, как следовало бы и не так эффективно, как термопауза Земли. В результате, когда вода движется в верхние слои атмосферы Марса, она вступает в реакцию с атмосферными молекулами и расщепляется на водород и кислород — водород может затем полностью покинуть марсианскую атмосферу, как предполагает исследование, — и в конечном итоге навсегда теряется в космосе.
Открытие ученых из Аризонского университета проливает свет на эволюцию Красной планеты от мира, возможно, похожего на Землю, к пустынной планете, которую мы знаем сегодня. Ученые полагают, что, хотя поверхность Марса пронизана древними озерами и реками, единственная оставшаяся вода может находиться в ловушке под землей.
Пылевые дьяволы
Американский искусственный спутник для исследования атмосферы Марса MAVEN может проводить исследования во время марсианских пылевых бурь. В то время как большинство других спутников совершают круговые орбиты, то есть они смотрят на одну и ту же часть Марса в одно и то же время суток снова и снова, Maven «постоянно пробует различные условия на Марсе, с точки зрения времени суток, долготы и широты», — пишут исследователи.
Пылевые бури на Красной планете – обычное дело
Пылевые бури на Марсе происходят регулярно и в разных регионах планеты, но в 2018 году планету настигла глобальная буря. Однако для команды ученых это событие оказалось удачным, так как предоставило «беспрецедентное представление о том, как вся планета реагирует на шторм». Но тот шторм оценили не все. Марсоход NASA Opportunity патрулировал поверхность Марса. Пыль, поднятая во время шторма оседала на солнечных панелях аппарата, блокируя солнечные лучи и лишая его энергии, что в конечном итоге положило конец историческому путешествию.
Источник
Как Марс теряет воду — научное исследование с моделированием
Когда в южном полушарии Марса наступает лето, то в его атмосфере открывается «окно», через которое водяной пар может подниматься из нижних слоев газовой оболочки планеты в верхние.
Большую часть этого водяного пара ветры уносят на северный полюс Марса, где он оседает на поверхности в виде льда, однако некоторое количество водяного пара все же распадается и улетучивается в открытый космос, постепенно лишая красную планету запасов воды.
Группа ученых (Дмитрий Шапошников, Александр Медведев, Александр Родин и Пол Хартог) из МФТИ (Московский физико-технический институт, Россия), Института космических исследований РАН (Россия) и Института исследований Солнечной системы им. Макса Планка (Германия) описала этот необычный марсианский круговорот и выброс в космос части водяных паров в своем исследовании, представленном в журнале Geophysical Research Letters.
По расчетам ученых, много миллионов лет назад Марс был богат океанами, морями и прочими источниками воды. Однако, в течение всего этого долгого времени в верхних слоях атмосферы Марса работал своеобразный природный «насос», с помощью которого происходило обезвоживание красной планеты. На сегодняшний день на поверхности планеты осталось примерно до 20% водной структуры от изначального количества.
В своем исследовании ученые воссоздали модель процесса потери воды Марсом и определили, что этот механизм все еще продолжает работать, причем его функционал подобен насосу. Компьютерное моделирование этого механизма показывает, как водяной пар преодолевает барьер холодного воздуха в средней атмосфере Марса и достигает более высоких слоев. Это, по мнению авторов научной работы, поможет понять, почему Марс, в отличие от Земли, потерял большую часть своей воды.
Краткое описание исследования
Миллионы лет назад Марс был планетой с обширной водной поверхностью, на нем текли реки и даже бушевали океаны. Но время шло, а природный механизм на планете потихоньку уменьшал водные запасы, сильно изменяя поверхность Марса до неузнаваемости.
Сегодня на поверхности Марса можно найти очень немногочисленные участки с замерзшей водой, а в атмосфере водяной пар встречается лишь в следовых количествах. Таким образом, Марс, возможно, на данный момент потерял не менее 80 процентов своего водного запаса.
Причина такой глобальной, а одновременно и долговременной водопотери заключается в том, что в верхних слоях атмосферы Марса солнечное ультрафиолетовое излучение расщепляет молекулы воды на водород (H) и гидроксильные радикалы (OH). А уже после этого процесса происходит безвозвратное улетучивание водорода в открытый космос.
Измерения с помощью научно-исследовательских зондов на орбите Марса и космических телескопов показывают, что даже в настоящее время водяные пары на Марсе продолжают расщепляться и покидать планету таким образом.
Но как и почему это стало возможно?
Ведь средний слой атмосферы Марса, по аналогии с тропопаузой на Земле, должен практически блокировать такое убегание водорода, поскольку на высоте этого слоя обычно уже настолько холодно, что водяной пар превращается в лед.
Чтобы получить ответ на этот вопрос российские и немецкие исследователи провели моделирование, которое раскрыло ранее неизвестный механизм, напоминающий насос.
В их симуляции всесторонне описываются потоки во всей атмосфере, окутывающей Марс: от поверхности планеты до слоев на высоте 160 километров.
Расчеты показывают, что ледяной средний слой газовой оболочки становится проницаемым для водяного пара два раза в день, но только в определенном месте планеты и в определенное время года (в определенной точке орбиты).
Орбита Марса играет в этом процессе решающую роль: путь планеты вокруг Солнца, который длится около двух земных лет, намного более эллиптический, чем у Земли.
В точке, ближайшей к Солнцу (примерно совпадает с летом в южном полушарии) Марс приблизительно на 42 миллиона километров ближе к нему, чем в самой дальней точке орбиты, поэтому лето в южном полушарии заметно теплее, чем в северном.
Когда в южном полушарии Марса наступает лето, то в определенное время дня водяные пары могут локально подниматься с более теплыми воздушными массами и достигать верхних слоев атмосферы.
Там воздушные потоки переносят газ к северному полюсу, где он снова охлаждается и оседает. Однако, часть водяного пара исключается из этого цикла: под воздействием солнечного излучения молекулы воды распадаются, а водород убегает в космос.
Этот необычный гидрологический цикл усиливается еще одной особенностью Марса — огромными пыльными бурями, которые охватывают весь Марс с интервалом в несколько лет.
Гигантское количество пыли, циркулирующей в атмосфере во время такой бури, облегчает транспортировку водяного пара в верхние слои атмосферы.
Последние раз такие пылевые штормы произошли на Марсе в 2007 и 2018 годах, они также были всесторонне задокументированы орбитальными зондами.
Ученые подсчитали, что во время пыльной бури 2007 года в верхние слои атмосферы Марса попало вдвое больше водяного пара, чем это происходит в спокойные для планеты времена.
Поскольку частицы пыли поглощают солнечный свет и, таким образом, происходит их нагрев, то температура атмосферы на Марсе повышается.
Полученная учеными из МФТИ и Института им. Макса Планка модель с беспрецедентной точностью показывает, как пыль в атмосфере влияет на микрофизические процессы, связанные с превращением льда в водяной пар.
Графики и приложения к исследовательской работе:
Рисунок 1. Вертикальный поток водяного пара
Рисунок 1. Сезонные вариации по широтам зонально усредненного вертикального потока водяного пара, смоделированного с использованием усредненных данных по количеству пыли в атмосфере на разных высотах: 0, 30, 60, 90, 120 и 150 км. Положительные значения (восходящие потоки) показаны красным, отрицательные (нисходящие) потоки показаны синим.
Таким образом, нас будут интересовать данные, в основном, в промежутке между Ls = 250◦ и 270◦.
Escape of hydrogen atoms into space near the exobase varies by an order of
magnitude seasonally, maximizing around southern summer solstice (solar longitude Ls ≈
270◦)
Обозначения на Рисунке 1 и Рисунках далее:
ppmv (parts per million by volume) — это единица концентрации в миллионных долях по объему;
Water vapor — водяной пар;
Altitude — высота над уровнем моря;
Ls — солнечная долгота (solar longitude);
MY28 — Martian Year 28 (измерения во время 28-ого марсианского года);
Basic dust scenario («основной» пылевой сценарий) — использованы усредненные данные по количеству пыли в атмосфере (на основе данных марсианского зонда MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution), автоматической обсерватории «Хаббл», спутника Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) — с прибора Mars Climate Sounder (MCS), прибора PFS – MEX (Planetary Fourier Spectrometer on board Mars Express), аппарата Mars Global Surveyor);
Dust storm (пыльная буря) — использованы данные по количеству пыли в атмосфере в пыльной бури MY28.
Рисунок 2. Концентрация и температура водяного пара
Рисунок 2. Концентрация и температура водяного пара по высоте и широте, смоделированная с использованием усредненных данных по количеству пыли в атмосфере (графики в столбце слева) и в год пыльной бури MY28 (графики в столбце справа), все поля усреднены по зонам и за период между Ls = 250◦ и 270◦, где:
a) водяной пар (темные контуры), водяной лед (белые контуры) и меридиональный поток водяного пара (линии со стрелками, цвет и толщина которых указывают вертикальное направление и величину ppmv соответственно);
(b) то же, как на (а), но для пыльной бури во время MY28;
(c ) график с температурой водяного потока для «основного» пылевого сценария;
(d) то же, как на (с), но для сценария пыльной бури во время MY28, за исключением контурных линий, которые показывают разницу температур между (d) и (c ).
Видно, что во время бурь концентрация водяных паров в верхних слоях больше, а их температура выше.
Рисунок 3. Концентрация водяного пара на разных высотах и в разное время марсианских суток.
Сол — это марсианские сутки. Они чуть длиннее земных и составляют 24 часа, 39 минуты, 35,244 секунды. Год на Марсе равен 669,56 «солам» или 686,94 земным суткам.
Рисунок 3. Высотно-временное распределение отклонений от среднего значения для концентрации водяного пара (цветовые оттенки ppmv) и вертикальная скорость (на контурах, значения в м/с), по данным за период между Ls = 250◦ и 270◦ (координаты измерений — Lat 75S. Lon 0).
Положительные значения вертикальной скорости соответствуют восходящим движениям.
(а) «основной» пылевой сценарий:
(b) то же, как на (а), но для пыльной бури во время MY28:
Как видно, на втором графике в верхних слоях появляются больше окон с высокой концентрацией водяного пара с положительной вертикальной скоростью, которые образуют восходящие потоки далее в космическое пространство.
Рисунок 4. Годовой водный цикл.
Рисунок 4. Вертикальное распределение общего содержания воды (пар + лед), полученное:
(а) и (с) — днем и ночью по данным прибора Mars Climate Sounder (MCS), который установлен на аппарате Mars Reconnaissance Orbiter (MRO);
(b) и (d) — днем и ночью по данным из моделирования в исследовании.
На графиках Рисунка 4 выше:
— днем — это по данным в 15:00 дня по марсианскому времени;
— ночью — это по данным в 03:00 ночи по марсианскому времени.
На всех графиках Рисунка 4 значения по долготе и широте были усреднены.
При обработки данных при моделировании выполнялось усреднение по местным временам в периоды 14:00–16:00 и 02:00–04:00.
В заключении своей исследовательской работы авторы резюмируют, что атмосфера Марса более проницаема для водяного пара, чем земная, а раскрытый сезонный круговорот воды в значительной степени способствует продолжению функционирования природного механизма потери водных паров Марсом.
Источник
