Почему сегодня Марс так сильно отличается от Земли?

Примерно 4,5 миллиарда лет назад, на ранних этапах развития Солнечной системы, вблизи Солнца существовала не одна, а целых три планеты с благоприятными для жизни условиями: Венера, Земля и Марс.
С точки зрения физических условий все три планеты выглядели очень похожими. Все они обладали вулканами, водными океанами и сложными системами круговорота воды, включая облака, что позволяло этим мирам удерживать значительное количество тепла, поглощаемого ими от Солнца. И даже состав их атмосфер был схож — в них наблюдалось изобилие водорода, аммиака, метана, азота и водяного пара.

Планеты нашей Солнечной системы начали формироваться около четырёх с половиной миллиардов лет назад. Центральная протозвезда превратилась в наше Солнце, а окружающий протопланетный диск разделился на части и сформировал наши планеты, их спутники, а также пояса астероидов и пояса Койпера. Сначала сформировались планеты-гиганты, которые, вероятно, мигрировали внутрь и наружу и, возможно, выбросили наружу одну из ранних планет Солнечной системы. Остатки материи сформировали множество внутренних, каменистых, землеподобных миров, включая Меркурий, Венеру и две ещё планеты — прото-Землю и прото-Марс, которым вскоре предстояло подвергнуться массированным бомбардировкам.
В то время как столкновение гипотетического мира Тейя с Землёй привело к образованию нашей массивной Луны, столкновение астероида с ранним Марсом привело к образованию системы из трёх спутников: внешнего Деймоса, промежуточного Фобоса и внутреннего, более крупного спутника, который до наших дней не дожил. В современной марсианской системе есть только два маленьких спутника, поскольку третий, большой спутник, аналог гигантского спутника Плутона — Харона, упал обратно на Марс давным-давно, вероятно, распавшись перед этим на множество обломков.

Когда эта значительная масса упала обратно на Марс, она создала огромную разницу между двумя полушариями Марса. На одном полушарии Марса находятся огромные нагорья, и отличительной чертой этой части планеты являются кратеры и пересечённая местность. Эти возвышенности, вероятно, были континентами в те времена, когда на Марсе были океаны. Скорее всего, на это полушарие могли упасть некоторые обломки бывшего спутника, но не большая его часть.

Другое полушарие, богатое низменностями — оно на много километров ниже по высоте, чем полушарие, богатое возвышенностями, — вероятно, и представляет собой место, где большая часть массы бывшего спутника столкнулась с молодой Красной планетой. По мере накопления воды после этого события она заполнила низменности, образовав огромный марсианский океан. При этом несмотря на то, что в высокогорьях, вероятно, были озёра, реки и дожди, именно в низменностях какое-то время сохранились великие марсианские океаны.

В течение некоторого времени условия были благоприятны для потенциального возникновения жизни на всех трёх планетах, и, возможно, она в далёком прошлом реально возникла везде. Однако на всех этих планетах, кроме одной, просуществовала она недолго. На Венере появился парниковый эффект, в результате которого её океаны выкипели и превратились в ад всего через несколько сотен миллионов лет. Благоприятные условия на Марсе просуществовали гораздо дольше, прежде чем он стал совсем уж негостеприимным: возможно, целых 1,5 миллиарда лет.

История Марса была довольно драматичной. После падения спутника, около 3,4 миллиарда лет назад в марсианский океан упал гигантский астероид, образовав кратер шириной 110 километров и вызвав мегацунами высотой почти в 500 м, разбросав валуны и другие обломки на расстояние более 1500 километров от места столкновения. Доказательства существования водного прошлого на Марсе, которые раньше вызывали жаркие споры, теперь просто ошеломляют: во многих местах на поверхности обнаружены осадочные породы, высохшие русла рек с изгибами в виде локтей и даже богатые солью отложения и гематитовые сферы. Однако доказательства существования этих древних океанов не были известны в то время, когда мы впервые высадились на марсианскую поверхность. Тем не менее, то, что мы обнаружили на поверхности во время первой миссии «Викинга-1», стало огромным сюрпризом для учёных, специализирующихся на изучении Марса.
Ещё до посадки «Викинга-1» было известно, что место его посадки будет находиться вблизи конца очень большого канала затопления: долины Маха. Учёные ожидали найти геологические следы древнего мегапотопа с такими отложениями, которые мы находим на Земле в местах, где в прошлом происходили наводнения. Предполагалось, что это будут валуны, вкраплённые в осадочные породы, и острова, обтекаемые течением.

Но на деле всё оказалось совсем не так. Вместо этого мы нашли большое количество валунов, разбросанных повсюду, на вершине структуры, похожей на равнину.

Кратер Чикшулуб — один из крупнейших древних ударных кратеров на Земле, его диаметр составляет 180 километров. Падение астероида в мелководный океан вызвало массовое вымирание

Одно из правдоподобных, хотя и весьма спекулятивных объяснений может заключаться в том, что древний мегапотоп действительно имел место, но что-то ещё произошло после него, что в результате смыло его следы. Поскольку крупные валуны лежат не в верхнем слое марсианской почвы, а поверх него, высказывается предположение, что некий толстый слой выброшенной из кратеров вулканов породы накрыл сверху отложения мегапотопа.

Прошло уже более 45 лет с момента высадки «Викинга-1», и одна команда учёных нашла потенциальное объяснение наблюдений. Возможно, посадочная площадка «Викинга-1» была расположена на границе океана и континента. Картину можно объяснить, если предположить, что когда на поверхности Марса ещё были океаны, на планете случился мегапотоп, вызванный падением в марсианский океан достаточно крупного небесного тела. История похожа на историю с астероидом, упавшим на Землю около 65 миллионов лет назад, и вызвавшим, скорее всего, вымирание динозавров. Наблюдения на Марсе можно объяснить через сочетание выброса породы из кратера и связанного с ним мегацунами. На Земле существует такое поражающее воображение человека образование, как Большой Каньон. Это глубокая речная долина длиной более 446 км и глубиной до 1600 м. Его превосходит земной каньон Колка, глубина которого достигает 2000 м. Однако их масштабы меркнут по сравнению с самым грандиозным каньоном во всей Солнечной системе: долиной Маринер на Марсе. Упавший на поверхность Марса спутник привёл к тому, что северное и южное полушария планеты стали заметно отличаться друг от друга. Затем сочетание вулканической активности и «всплытия» утолщённой коры над мантией — так называемое изостатическое поднятие — произошло на территории, которая стала областью Тарсис на Марсе.

Однако, поскольку литосфера Марса не была подвижной, а значит, вулканические «горячие точки» не перемещались относительно поверхности планеты, на ней начали образовываться впадины, и кора в этом регионе начала раздвигаться, расширяя выпуклость Тарсиса и платообразную область, на которой она располагалась. Это могло привести к тому, что выпуклость Тарсиса начала смещаться относительно расположенных под ней вулканических очагов, а возможно, и к смещению всей марсианской коры и/или литосферы относительно этих вулканических очагов.

Стабильность коры, расположенной над мантией, зависит от изостатического равновесия – как у лодки, плывущей по океану. Если кора смещается относительно мантии, она теряет стабильность. Из-за её большой массы слабые участки начинают трескаться.

Один из этих разломов — возможно, самый крупный из всех в Солнечной системе — протянулся на 4000 километров по поверхности Марса, появился, и затем привёл к появлению современной долины Маринер. Новые места расположения вулканических очагов привели к появлению крупных марсианских вулканов, которые существуют и сегодня, включая гору Олимп, гору Альба Монс и три горы Тарсиса, которые активно растут и в настоящее время. Гора Олимп, кстати, является высочайшей горой во всей Солнечной системе.

Дополнительная вулканическая и тектоническая активность привела к дальнейшему разлому долины Маринер, включая 150-160-километровый «сдвиг» между северной и южной частями. Пока вода текла на Марсе, долина, вероятно, служила главным каналом, по которому лёд, снег и другие виды воды стекали на восток в некогда существовавший океан, создавая сеть каналов оттока, которые все ещё видны в современных альтиметрических данных.

Наконец, даже после того, как Марс стал сухой, бесплодной планетой — после того, как умерло динамо его ядра, после того, как исчезла его атмосфера, и после того, как жидкая вода уже не могла существовать на его поверхности — дальнейшие оползни, возможно, вызванные землетрясениями, тектонической активностью и/или последующими ударами, ещё больше расширили самый большой каньон из всех, за счёт заполнения его самых глубоких мест – то есть, раньше он был ещё глубже.

Попробуйте в полной мере оценить размеры долины Маринер. Из конца в конец его длина составляет около 4000 километров, что сравнимо с континентальной частью Соединённых Штатов или континентальной частью Австралии. В самом широком месте его ширина составляет около 200 километров от самой верхней кромки с высокими стенами до самой нижней части на противоположной стороне долины: это более чем в шесть раз превышает максимальную ширину Большого каньона на Земле. И, несмотря на то, что оползни за миллиарды лет заполнили самые большие глубины этой долины, её глубина по-прежнему составляет около 7 километров: это глубже, чем почти все океанские впадины на Земле, за исключением сверхглубоких. Почему же сегодня Марс так сильно отличается от Земли?
Стандартное объяснение заключается в том, что Марс, будучи гораздо меньше, излучает тепло от своего ядра гораздо эффективнее, чем Земля. Это приводит к тому, что ядро внутри Марса остывает гораздо быстрее, чем ядро внутри Земли, в результате чего любое магнитное динамо, созданное Марсом, быстро исчезает, в то время как земное магнитное динамо сохраняется до сих пор. Потеря планетарного магнитного поля значительно ускоряет разрушение существовавшей ранее атмосферы Марса под действием солнечного ветра и радиации, в то время как магнитное поле Земли продолжает защищать нас (позволяя нам сохранять атмосферу) до сих пор.

Когда формируются планеты, внутри них задерживается много тепла: частично от гравитационного сжатия частиц, из которых они состоят, и частично от распада радиоактивных материалов, составляющих внутреннюю часть планеты. У тепла планеты есть только один способ вырваться наружу: излучение через поверхность планеты.

Поскольку планеты имеют сферическую форму, общее количество тепла, задерживающегося внутри, пропорционально массе планеты (которая зависит от её радиуса в кубе), но скорость, с которой это тепло излучается, пропорциональна площади поверхности планеты (которая зависит только от радиуса в квадрате).

Другими словами, чем меньше планета, тем быстрее она излучает своё внутреннее тепло. А чем быстрее она излучает своё внутреннее тепло, тем быстрее она остывает. Если у планеты есть жидкое и текучее ядро, которое вращается, перемешивается и проводит ток, планета способна создать магнитное поле, которое сохраняется в течение астрономического и/или геологического времени благодаря механизму динамо.

Считается, что этот механизм питает магнитное поле Земли, а также магнитные поля газовых гигантов в нашей Солнечной системе. Также считается, что когда-то он порождал и магнитное поле Марса, но длилось это не более 3 миллиардов лет и сегодня уже закончилось.

Затем, как принято считать, в отличие от Земли, на которой сохраняющееся и поныне магнитное поле защищает её атмосферу от солнечного ветра, Марс, который когда-то обладал толстой и относительно стабильной атмосферой, в итоге потерял её.

По мере остывания Марса динамо перестало действовать, что привело к исчезновению магнитного поля и позволило солнечному ветру медленно, но неуклонно сдирать атмосферу Марса. Примерно через ~100 миллионов лет, атмосфера стала настолько тонкой, что жидкая вода на его поверхности уже не могла существовать, и с тех пор условия на поверхности Марса «заморожены».

Однако в 2018 году этот ход мыслей столкнулся с серьёзным вызовом, когда в журнале Astronomy & Astrophysics появилась впечатляющая статья с провокационным названием «Почему внутреннее магнитное поле не защищает планету от побега атмосферы». Вместо того чтобы предположить, что атмосфера Земли хорошо защищена, а атмосфера Марса — нет, в статье исследуется вопрос, а защищены ли в принципе намагниченные планеты от потери атмосферы в большей степени, чем ненамагниченные. Если посмотреть на фактическую скорость выхода частиц из атмосфер Венеры, Земли и Марса, то, несмотря на различия этих планет, скорости очень похожи: от 0,5 до 2,0 килограммов в секунду для всех трёх планет, причём 0,5 для Венеры и 1,4 для Земли. Если мы хотим сравнить потерю атмосферы у намагниченных и ненамагниченных планет, нам нужно сравнить суммарные показатели всех механизмов утери атмосферы вместе взятых. А таких механизмов известно несколько, и лишь малая их часть работает быстрее при отсутствии у планеты магнитного поля. Основываясь на истории Марса и Земли, можно подумать, что ненамагниченные планеты теряют свои атмосферы быстрее, но это не обязательно так.

Стоит отметить, что даже максимальная скорость потери атмосферы для землеподобной планеты, ~3 кг/с, не смогла бы устранить массу даже одной земной атмосферы (составляющую около 5 ? 10¹⁸ кг) за всю историю Солнечной системы. Кроме того, даже у ненамагниченных планет есть магнитосферы, существующие благодаря взаимодействию с Солнцем, которые также могут защитить их от быстрой потери атмосферы.

Так что Марс мог стать безжизненным не потому, что потерял магнитное поле; возможно, он погиб только потому, что потерял свою атмосферу из-за малого размера и низкой массы. Когда мы смотрим на экзопланеты, мы не должны считать, что магнитное поле планеты необходимо для жизни. До тех пор, пока у вас есть существенная, но не слишком толстая атмосфера, которая может возникнуть при любой намагниченности или даже при её отсутствии, существование жизни, даже в том виде, в котором мы её знаем, остаётся допустимым.