[Перевод] Учёные НАСА впервые воссоздали марсианских «пауков» в лаборатории
Испытания на Земле, похоже, подтверждают, что паукообразные геологические образования Красной планеты вырезаны углекислым газом.
В южном полушарии Марса встречаются паукообразные образования, называемые паукообразным рельефом, вырезанные в ландшафте углекислым газом. На этом снимке 2009 года, сделанном аппаратом НАСА Mars Reconnaissance Orbiter, показано несколько таких характерных образований на участке шириной 1,2 километра.
С тех пор как в 2003 году учёные обнаружили их на снимках с орбитальных аппаратов, они не перестают удивляться паукообразным формам, разбросанным по южному полушарию Марса. Никто до конца не знает, как создаются эти геологические объекты. Каждое ветвистое образование может простираться более чем на километр от края до края и включать сотни веретенообразных «ног». Эти особенности, называемые паукообразным рельефом, часто встречаются в скоплениях, придавая поверхности морщинистый вид.
Ведущая теория гласит, что «пауки» появились в результате процессов, связанных с углекислым льдом, который не встречается на Земле в естественных условиях. Благодаря экспериментам, подробно описанным в новой статье, опубликованной в журнале The Planetary Science Journal, учёные впервые воссоздали эти процессы формирования в условиях имитации марсианских температур и давления воздуха.
Взгляд изнутри на DUSTIE, камеру размером с винный бочонок, используемую для имитации температур и давления воздуха на других планетах — в данном случае углекислотного льда, обнаруженного на южном полюсе Марса. Эксперименты, проведённые в этой камере, подтвердили, как образуются марсианские образования, известные как «пауки».
«Пауки — это странные и красивые геологические особенности сами по себе», — говорит Лорен Мак Кеун из Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии. «Эти эксперименты помогут скорректировать наши модели их формирования».
Исследование подтверждает несколько процессов формирования, описанных в так называемой модели Киффера: солнечный свет нагревает почву, когда она просвечивает сквозь прозрачные плиты льда из углекислого газа, который накапливается на марсианской поверхности каждую зиму. Будучи более тёмной, чем лёд над ней, почва поглощает тепло и заставляет ближайший к ней лёд превращаться непосредственно в газообразный углекислый газ — без предварительного перехода в жидкое состояние — в процессе, называемом сублимацией (тот же самый процесс, что порождает пар, поднимающийся от сухого льда). Когда давление газа возрастает, марсианский лёд трескается, позволяя газу выходить наружу. Просачиваясь вверх, газ увлекает за собой потоки тёмной пыли и песка из почвы, которые оседают на поверхности льда.
Согласно теории, когда зима сменяется весной и оставшийся лёд сублимирует, на его поверхности остаются паукообразные шрамы от этих небольших извержений.
Эти образования, похожие на «пауков» Красной планеты, появились в симуляторе марсианской почвы во время экспериментов в камере DUSTIE компании JPL. Углекислый лёд, замёрзший внутри симулятора, нагревался расположенным под ним нагревателем, превращаясь обратно в газ, который в итоге прорвался сквозь верхний замёрзший слой и образовал шлейф.
Воссоздание Марса в лаборатории
Для Мак Кеун и её соавторов самым сложным в проведении этих экспериментов было воссоздание условий, существующих на марсианской полярной поверхности: чрезвычайно низкого давления воздуха и температуры до минус 185°С. Для этого Мак Кеун использовала охлаждаемую жидким азотом испытательную камеру JPL, Dirty Under-vacuum Simulation Testbed for Icy Environments, или DUSTIE.
«Я люблю DUSTIE. Это историческая вещь», — сказала Мак Кеун, отметив, что камера размером с винный бочонок использовалась для испытания прототипа инструмента для рашпиля, разработанного для марсохода НАСА «Феникс». Инструмент использовался для раскалывания водяного льда, который космический аппарат набирал и анализировал в районе северного полюса планеты.
На этом видео показан марсианский грунт, извергающийся в виде шлейфа во время эксперимента в лаборатории JPL, целью которого было воспроизвести процесс, способствующий образованию марсианских объектов, называемых «пауками». Когда исследовательница, которая годами пыталась воссоздать эти условия, заметила этот шлейф, она была в восторге.
Для этого эксперимента исследователи охладили имитатор марсианской почвы в контейнере, погруженном в ванну с жидким азотом. Они поместили его в камеру DUSTIE, где давление воздуха было снижено до уровня, аналогичного давлению в южном полушарии Марса. Затем в камеру поступал углекислый газ, который в течение трёх-пяти часов конденсировался из газа в лёд. Потребовалось много попыток, прежде чем Мак Кеун нашла подходящие условия, чтобы лёд стал достаточно толстым и прозрачным для проведения экспериментов.
Получив лёд с нужными свойствами, они поместили нагреватель в камеру под симулятором, чтобы нагреть его и расколоть лёд. Мак Кеун была в восторге, когда наконец увидела шлейф углекислого газа, вырвавшийся из порошкообразного симулятора.
«Это было поздно вечером в пятницу, и заведующая лабораторией ворвалась к нам, услышав мои крики», — говорит Мак Киун, которая работала над созданием подобного шлейфа в течение пяти лет. «Она подумала, что произошёл несчастный случай».
Тёмные шлейфы проделывали отверстия в симуляторе почвы, когда выходили наружу, и извергали симулятор почвы в течение 10 минут, прежде чем весь газ под давлением вышел наружу.
Эксперименты преподнесли сюрприз, который не был отражён в модели Киффера: лёд образовывался между зёрнами симулятора почвы, а затем раскалывал его. Этот альтернативный процесс может объяснить, почему пауки имеют более «растрескавшийся» вид. Происходит ли это или нет, зависит от размера почвенных зёрен и от того, насколько глубоко под землёй находится водяной лёд.
«Это одна из тех деталей, которые показывают, что природа немного беспорядочнее, чем пишут в учебниках», — сказала Серина Динига из JPL, соавтор статьи.
Дальнейшие испытания шлейфа
Теперь, когда условия для образования шлейфов найдены, следующим шагом будет проведение тех же экспериментов с имитацией солнечного света сверху, а не с использованием нагревателя снизу. Это поможет учёным сузить диапазон условий, при которых могут возникать шлейфы и выброс почвы.
Остаётся ещё много вопросов о пауках, на которые нельзя ответить в лабораторных условиях. Почему они образовались в одних местах на Марсе, а не в других? Поскольку они, по-видимому, являются результатом сезонных изменений, которые всё ещё происходят, почему они не увеличиваются в количестве или размере с течением времени? Возможно, они остались с тех давних времён, когда климат на Марсе был другим, и поэтому могут стать уникальным окном в прошлое планеты.
На данный момент лабораторные эксперименты будут проходить в непосредственной близости от «пауков», насколько это возможно для учёных. Марсоходы Curiosity и Perseverance исследуют Красную планету далеко от южного полушария, где и появляются эти образования (и где ещё не приземлялся ни один космический аппарат). Миссия «Феникс», приземлившаяся в северном полушарии, проработала всего несколько месяцев, прежде чем погибла от сильного полярного холода и недостатка солнечного света.
