Три с половиной миллиарда лет назад Марс был совсем другим. Теплый, влажный, он кишел жизнью, окутанный густой атмосферой и покрытый морями воды. Сегодня же перед нами суровая пустыня, холодная и застывшая во времени. Куда исчезла вся эта вода?
Двойной уход воды
Как объясняет Джон Кларк из Бостонского университета, у воды есть лишь два пути: либо она вмерзла глубоко под землей, либо распалась на атомы, и эти атомы улетели в космос, покинув атмосферу.
Действительно, вода на Марсе не исчезла бесследно. Обширные резервуары ее скрываются под поверхностью планеты, на глубине от 11,5 до 20 километров, образуя гигантский слой льда, эквивалентный глобальному океану толщиной в километр. Но это лишь часть истории. Небольшие залежи воды хранятся в вечной мерзлоте и полярных шапках, которые во время марсианского лета под воздействием солнечного тепла сублимируются, выбрасывая водяной пар в атмосферу.
Фотодиссоциация и испарение
Часть этого пара поднимается высоко в атмосферу, где ультрафиолетовое излучение Солнца расщепляет молекулы воды (H2O) на атомы водорода и кислорода. Кислород либо окисляет поверхностные материалы, придавая Марсу его знаменитый красновато-рыжий оттенок, либо связывается с углеродом, образуя углекислый газ. Атомы водорода же, или их тяжелый изотоп – дейтерий, могут получить достаточно энергии, чтобы преодолеть гравитацию и улететь в космос.
MAVEN и загадка дейтерия
Миссия MAVEN, прибывшая на Марс в 2014 году, поставила перед собой задачу измерить этот выброс водорода. Ключевым показателем здесь является соотношение дейтерия (тяжелой формы водорода) и обычного водорода (D/H) в марсианской атмосфере. Поскольку дейтерий уходит медленнее, его концентрация с течением времени растет, показывая, сколько водорода уже покинуло планету.
Предполагается, что Марс и Земля получили воду из одних и тех же источников миллиарды лет назад. Исходя из этого, соотношение D/H на Марсе должно было быть похоже на земное сегодня. Однако нынешнее соотношение на Красной планете в 8-10 раз выше. Сравнивая это с предполагаемым начальным значением и учитывая скорость потери водорода и дейтерия, ученые могут экстраполировать назад во времени и рассчитать, сколько воды Марс потерял за свою историю.
Ранее MAVEN показал, что Марс улетел в космосе достаточно воды, чтобы образовался слой льда толщиной от десятков до сотен метров. Но это лишь часть картины. Недавно обнаруженные огромные подземные резервуары воды дополняют эту картину, подтверждая, что когда-то Марс был настоящим океаническим миром.
Сезонная динамика потери воды
Однако MAVEN совместно с космическим телескопом “Хаббл” раскрыл неожиданную деталь: скорость потери водорода на Марсе не постоянна, а колеблется в зависимости от времени года. В перигелии – точке орбиты, когда Марс ближе всего к Солнцу – эта потеря резко возрастает.
Это совпадает с сезонным нагревом атмосферы и подъемом водяного пара. В южном полушарии Марса, наклоненном к солнцу в перигелии, разгораются ежегодные пыльные бури. Пыль, витающая в воздухе, усиливает нагрев и содержание водяного пара.
В перигелии MAVEN зафиксировал плотность дейтерия и водорода в верхних слоях атмосферы в 5 и 20 раз выше соответственно, чем в афелии – самой удаленной точке орбиты. В афелии потеря дейтерия настолько мала, что ее не удалось обнаружить даже чувствительным приборам MAVEN.
Здесь на помощь приходит “Хаббл”, заполняя пробелы в данных. Наблюдения показали, что скорость потери дейтерия и водорода в перигелии может быть в 10-100 раз выше, чем в афелии. Дейтерий улетучивается настолько быстро, что единственным фактором, ограничивающим его потерю, является количество доступного водяного пара.
Загадка дополнительной энергии
Это открытие ставит перед учеными новую загадку: откуда берется эта дополнительная энергия, которая ускоряет потери дейтерия? Обычный тепловой выброс не может объяснить такую интенсивность. Вероятно, дело в столкновениях протонов солнечного ветра с атомами дейтерия или в химических реакциях под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца, которые придают дейтерию дополнительный импульс.
Как подчеркивает Джон Кларк, последние исследования показывают, что марсианский годовой цикл куда более динамичен, чем предполагалось ранее. Атмосфера планеты – это бурлящий котел, где температуры и плотность меняются в течение нескольких часов, а яркость Солнца колеблется на 40% за марсианский год.
Исследование потери воды на Марсе – это не просто история о том, как Красная планета потеряла свою водную оболочку. Это головоломка, разгадывая которую мы глубже понимаем историю Солнечной системы, эволюцию планет и самих процессов, формирующих жизнь.
