Согласно новому исследованию, марсианские пыльные бури поднимают воду в атмосферу выше, чем считалось возможным ранее, помогая лишить Красную планету ее ограниченных запасов воды и потенциально способствуя высыханию ее океанов за миллиарды лет. Эта работа показывает, что летние пыльные бури могут доставлять воду в верхние слои атмосферы, тем самым помогая разрушать ее молекулу и позволяя водороду улетать в космос.
«Пыльные бури вызывают внезапный всплеск воды в верхних слоях атмосферы», — сообщил ведущий автор исследования Шейн Стоун, аспирант Университета Аризоны. Стоун работал со своими коллегами над изучением данных, собранных MAVEN в моменты его глубоких погружениях в атмосферу за более чем два марсианских года (чуть меньше четырех земных лет). Они обнаружили, что обилие воды в атмосфере достигает пика летом в южном полушарии, когда планета находится ближе всего к Солнцу и глобальные пыльные бури случаются чаще. Результаты были опубликованы 13 ноября в журнале Science.
Внезапный всплеск воды
На Земле гигропауза служит препятствием, позволяющим удерживать воду в нижних слоях атмосферы. Когда водяной пар достигает более холодного участка атмосферы, он конденсируется из газа в жидкость, образуя облака. Как только вода конденсируется, она перестает двигаться вверх и выпадает обратно на землю дождем или снегом.
Количество воды в верхних слоях атмосферы Марса резко возрастает во время пыльных бурь.
В то время как предыдущие исследования предполагали, что лишь небольшое количество воды может переноситься выше марсианской гигропаузы, новое исследование обнаружило сезонную тенденцию, а также связь пыльных бурь с объемом воды в верхних слоях атмосферы. Напротив, предыдущие модели того, как вода улетучивается с Красной планеты, полагались на медленное просачивание H2O из средней области атмосферы через гигропаузу в космос.
«Классический процесс подобен медленной и устойчивой струйке водорода в верхние слои атмосферы, которая мало меняется от марсианского года к марсианскому году, в то время как процесс, который мы описываем, подобен внезапному всплеску воды в верхних слоях атмосферы», — сказал Стоун.
В то время как пыльные бури не позволяют свету и теплу от Солнца достигать поверхности планеты, они нагревают гигропаузу, ослабляя ее и позволяя проходить сквозь нее большему количеству воды. Более высокие температуры лета в южном полушарии также нагревают атмосферу, делая гигропаузу более проницаемой.
Когда молекулы воды достигают верхних слоев атмосферы, они реагируют с другими заряженными частицами или солнечным ветром, в итоге расщепляясь на атомы водорода и кислорода. Поскольку водород — самый легкий атом, некоторые из атомов водорода могут развивать достаточно высокую скорость, чтобы вырваться из притяжения Марса и улететь в космос. «Как только вода достигает верхних слоев атмосферы, ее срок жизни составляет всего около четырех часов», — сказал Стоун.
Сравнение классической и новой утечек водорода из атмосферы Красной планеты.
NGIMS, масс-спектрометр нейтральных газов и ионов зонда MAVEN, отбирает образцы воздуха, когда зонд погружается в атмосферу Марса на высоту 125 километров, что происходит каждые 4,5 часа. NGIMS не измеряет количество воды напрямую, потому что водород и кислород из атмосферы могут объединяться внутри прибора и вновь образовывать молекулу H2O. Вместо этого NGIMS полагается на ионы, которые он разделяет по массе, чтобы исследователи могли идентифицировать их и рассчитать количество воды в верхних слоях атмосферы.
Согласно классической модели, большая часть воды в средней атмосфере, которая разрушается солнечным ветром, падает обратно на поверхность. Лишь некоторые из новых молекул водорода проходят через гигропаузу в верхние слои атмосферы, в конечном итоге покидая планету. «Этот процесс идет медленно и устойчиво из года в год, поэтому ученые уже пять-шесть лет знают, что классическая модель не может быть ответственной за быстрые изменения в скорости утечки [водорода], которые наблюдаются в масштабах меньше марсианского года», — сказал Стоун.
При этом новый процесс потери воды во время летних пыльных бурь не отменяет классическую утечку, которая продолжается и сегодня. Однако глобальные и локальные пыльные бури, поднимающие воду в верхние слои атмосферы, производят атомы водорода примерно в 10 раз быстрее, чем классический процесс, сказал Стоун. По его словам, в течение большей части марсианского года эти два процесса высвобождают примерно одинаковое количество атомов водорода, которые могут улететь в космос.
Пожалуй, наиболее ярким примером быстрой потери воды в действии стала глобальная пыльная буря 2018 года, которая вывела из строя марсоход Opportunity. Измерения, проведенные в течение двух дней шторма, показали, что водорода улетучилось в 20 раз больше, чем при классическом процессе. Стоун и его коллеги подсчитали, что тогда из-за чудовищной пыльной бури Марс потерял за 45 дней столько же воды, сколько он обычно теряет за один марсианский год, который составляет 687 земных дней.
Фото 2018 года было сделано во время разрушительной песчаной бури, после которой так и не проснулся один из марсоходов.
По словам Стоуна, локальные пыльные бури, которые случаются каждый год на Марсе, приводят к меньшему, но все же значительному увеличению количества воды в верхних слоях атмосферы, и, как следствие, к потере водорода. Исследователи подсчитали, что сезонный процесс, без учета мощных пыльных бурь, лишит Марс глобального слоя воды глубиной 44 сантиметра в течение миллиарда лет. Если предположить, что чудовищная пыльная буря, подобная событию 2018 года, будет происходить раз в десятилетие, то к этим 44 сантиметрам можно прибавить еще 17, а если вспомнить про локальные бури, которые случаются гораздо чаще, цифра будет еще больше.
Разумеется, такая потеря воды на Красной планете изменяла ее атмосферу, пусть и крайне медленно. Такие изменения сложно моделировать, потому что небольшой период наблюдений нужно продлить на 4,5 миллиарда лет жизни Солнечной системы. Но Стоун и его коллеги уверены, что сезонные пыльные бури сыграли важную роль в утечке водорода.
«Сезонное поднятие воды в верхние слои атмосферы, вызванное пыльными бурями, могло сыграть существенную роль в эволюции марсианского климата от теплого и влажного состояния миллиарды лет назад до холодной и сухой планеты, которую мы наблюдаем сегодня», — пишут авторы в своем исследовании. «Марс, вероятно, потерял достаточно [воды], чтобы покрыть всю поверхность планеты океаном глубиной от десятков до сотен метров, к тому же уровень потерь, должно быть, был выше в прошлом».
