Бури и смена времен года уносят марсианскую воду

Марс теряет воду неравномерно — скорость её улетучивания в космос определяют смена сезонов и пылевые бури. Благодаря многолетней работе спектрометра SPICAM на борту космического аппарата «Марс-Экспресс» впервые собраны данные о концентрации воды в атмосфере в течение нескольких марсианских лет. Как показала Анна Фёдорова и её коллеги из Института космических исследований Российской академии наук и лаборатории исследований атмосферы, молекулы водяного пара в атмосфере могут достигать высот 90 км над поверхностью, что существенно облегчает его «уход» в открытый космос.

Наиболее интенсивно Марс теряет воду во время южного лета и пылевых бурь. Исследования были подтверждены результатами моделирования, которое провели исследователи LATMOS. Однако даже эти увеличенные оценки не помогают понять, куда исчезла та марсианская вода, которая могла бы создать ландшафт современной нам планеты. «Марс-Экспресс» продолжает работу, а вместе с ним и другие марсианские аппараты, в том числе — зонд TGO российско-европейской миссии «ЭкзоМарс-2016».

Сегодня воды на Марсе исключительно мало, но рельеф и минеральный состав поверхности планеты заставляет думать, что так было не всегда. Ранний Марс, вероятнее всего, содержал довольно значительные резервуары жидкой воды (глубина гипотетического глобального океана могла достигать 500 м). Однако сейчас из-за малого атмосферного давления вода может существовать лишь в виде льда или водяного пара, причём в последней форме она довольно легко «уходит» в космос. На высоте больше 50 км углекислотная атмосфера больше не задерживает ультрафиолетовое излучение Солнца, и оно разбивает молекулы воды. Получившиеся напрямую атомы водорода диссипируют в космос.

Довольно долгое время представлялось, что вся вода сосредоточена в нижней атмосфере Марса, откуда водород медленно поднимается в верхнюю атмосферу, и, следовательно, процесс его ухода из атмосферы равномерный и не зависящий от времени года. Однако данные, полученные с помощью инфракрасного спектрометр SPICAM на борту космического аппарата «Марс-Экспресс», рисуют гораздо более сложную картину. «Марс-Экспресс», запущенный с космодрома Байконур в 2003 году, работает на орбите вокруг Марса с конца 2003 года, то есть около восьми марсианских лет. И всё это время он рутинно измеряет содержание водяного пара в атмосфере Марса на высотах до 100 км над поверхностью.

Особенность прибора SPICAM в том, что он способен исследовать атмосферу планеты в режиме «солнечных затмений», то есть наблюдая, как солнечный свет просвечивает слой атмосферы на краю планетного диска. Благодаря этому можно изучать распределение молекул водяного пара на разных высотах. Это — ключ к пониманию самых тонких процессов в атмосфере: как движутся атмосферные массы, какие химические и физические процессы происходят в них и где именно.

Обработав данные SPICAM за восемь марсианских лет, Анна Фёдорова, руководитель лаборатории экспериментальной спектроскопии ИКИ РАН, и её коллеги обнаружили, что в периоды, когда Марс находится дальше от Солнца, водяной пар практически не поднимается выше отметки в 60 км. Это происходит, когда планета находится в афелии — точке орбиты, наиболее удаленной от Солнца (орбита Марса более вытянута по сравнению с земной, поэтому разница заметна, 207 и 249 миллионов км). В это время в северном полушарии лето, в южном — зима. Напротив, когда Марс проходит перигелий, ближайшую к Солнцу точку (во время южной зимы), водяной пар может подниматься до 90 км над поверхностью, не конденсируясь в лед. Концентрация водяного пара в этот период может достигать 100 частиц на миллион в единице объёма.

«Это объясняет, почему в это время года скорость потери воды Марсом увеличивается — поясняет Анна Фёдорова. — Верхняя атмосфера насыщается водой, а оттуда она уходит в космос».

Распределение водяного пара по плотности в марсианской атмосфере. Данные за 8 марсианских лет (MY27—34), каждый год проводились две наблюдательные кампании. Когда Марс находится далеко от Солнца, водяной пар оказывается «заключен» в области ниже 60 км. Когда Марс приближается к Солнцу, водяной пар поднимается вплоть до высоты 90 км. Наибольшая плотность водяного пара в атмосфере наблюдается во время лета в южном полушарии, когда планета проходит перигелий. График основан на статье A. Fedorova et al (2021), более темный цвет кружков показывает большую плотность © Copyright: ESA, based on data from A. Fedorova et al (2021)

Кроме этого, исследователи проанализировали данные, полученные во время глобальных пылевых бурь на Марсе, 2007 и 2018 годов (по земному исчислению). В это время атмосфера становится ещё более теплой и влажной, а перенос воздушных масс более интенсивным, поднимая тем самым воду на высоты больше 80 км. Эти работы, как части мозаики, складывают новую картинку Марса.

«То, что Марс теряет воду, было известно давно, — поясняет Анна Фёдорова. — Но сейчас становится понятно, что этот процесс нестабильный. Благодаря активным наблюдениям в последние годы, фактически, идет смена парадигмы, так как в моделях учитывается постоянный и более медленный темп».

Подтверждение тому нашла группа исследователей под руководством Жана-Ива Шафрэ. Исследователи смоделировали темп потери воды Марсом за два года, а затем сравнили результаты с данными SPICAM. В целом, данные согласуются, за исключением периодов пылевых бурь — оказалось, что модель даёт более низкие результаты, чем наблюдается на Марсе. С учётом этих результатов группа Жана-Ива Шафрэ предполагает, что Марс теряет слой воды глубиной примерно 2 метра за каждый миллиард лет. Тем не менее этого недостаточно, чтобы объяснить, куда делись те объёмы марсианской воды, которые сформировали современный ландшафт Марса.

«Возможно, теперь она находится в грунте, либо в прошлом Марс терял воду ещё интенсивнее», — предполагает исследователь.

Данные, полученные с космического аппарата «Марс-Экспресс» свидетельствуют, что на темпы потери воды влияют смены времен года и пылевые бури. Чем ближе планета находится к Солнцу, тем выше могут подниматься молекулы водяного пара. Во время пылевых бурь влага также оказывается на больших высотах, откуда ей легче уйти в космос. По результатам моделирования оказывается, что Марс теряет слой воды глубиной около 2 м за миллиард лет, однако этих темпов недостаточно, чтобы объяснить потерю всей марсианской воды © ESA; data: A. Fedorova et al (2021)

«Марс-Экспресс» продолжает работу у Марса, а вместе с ним исследованиями концентрации воды занимается орбитальный аппарат TGO. Его наблюдения также свидетельствуют, что в южном полушарии летом атмосферная вода достигает больших высот, включая глобальную пылевую бурю и региональный шторм. Кроме того, TGO обнаружил водяной пар в перенасыщенном состоянии, часто наблюдаемый одновременно с облаками. С другой стороны, данные представляет аппарат MAVEN (NASA), приборы которого регистрируют атомарный водород и его изотопы в ближайшем к Марсу космосе и помогают оценить современный темп потерь.

«Две ключевые темы современных исследований Марса — эволюция планеты и роль пылевых бурь в марсианском климате и атмосфере, — подводит итог Дмитрий Титов, научный руководитель (координатор) проекта „Марс-Экспресс“. — Эти открытия позволяют понять долговременные процессы, которые определяют потерю воды, и нарисовать картинку не только современного климата, но и его изменений за время существования планеты».