Как Марс теряет воду — научное исследование с моделированием
Когда в южном полушарии Марса наступает лето, то в его атмосфере открывается «окно», через которое водяной пар может подниматься из нижних слоев газовой оболочки планеты в верхние.
Большую часть этого водяного пара ветры уносят на северный полюс Марса, где он оседает на поверхности в виде льда, однако некоторое количество водяного пара все же распадается и улетучивается в открытый космос, постепенно лишая красную планету запасов воды.
Группа ученых (Дмитрий Шапошников, Александр Медведев, Александр Родин и Пол Хартог) из МФТИ (Московский физико-технический институт, Россия), Института космических исследований РАН (Россия) и Института исследований Солнечной системы им. Макса Планка (Германия) описала этот необычный марсианский круговорот и выброс в космос части водяных паров в своем исследовании, представленном в журнале Geophysical Research Letters.
По расчетам ученых, много миллионов лет назад Марс был богат океанами, морями и прочими источниками воды. Однако, в течение всего этого долгого времени в верхних слоях атмосферы Марса работал своеобразный природный «насос», с помощью которого происходило обезвоживание красной планеты. На сегодняшний день на поверхности планеты осталось примерно до 20% водной структуры от изначального количества.
В своем исследовании ученые воссоздали модель процесса потери воды Марсом и определили, что этот механизм все еще продолжает работать, причем его функционал подобен насосу. Компьютерное моделирование этого механизма показывает, как водяной пар преодолевает барьер холодного воздуха в средней атмосфере Марса и достигает более высоких слоев. Это, по мнению авторов научной работы, поможет понять, почему Марс, в отличие от Земли, потерял большую часть своей воды.
Краткое описание исследования
Миллионы лет назад Марс был планетой с обширной водной поверхностью, на нем текли реки и даже бушевали океаны. Но время шло, а природный механизм на планете потихоньку уменьшал водные запасы, сильно изменяя поверхность Марса до неузнаваемости.
Сегодня на поверхности Марса можно найти очень немногочисленные участки с замерзшей водой, а в атмосфере водяной пар встречается лишь в следовых количествах. Таким образом, Марс, возможно, на данный момент потерял не менее 80 процентов своего водного запаса.
Причина такой глобальной, а одновременно и долговременной водопотери заключается в том, что в верхних слоях атмосферы Марса солнечное ультрафиолетовое излучение расщепляет молекулы воды на водород (H) и гидроксильные радикалы (OH). А уже после этого процесса происходит безвозвратное улетучивание водорода в открытый космос.
Измерения с помощью научно-исследовательских зондов на орбите Марса и космических телескопов показывают, что даже в настоящее время водяные пары на Марсе продолжают расщепляться и покидать планету таким образом.
Но как и почему это стало возможно?
Ведь средний слой атмосферы Марса, по аналогии с тропопаузой на Земле, должен практически блокировать такое убегание водорода, поскольку на высоте этого слоя обычно уже настолько холодно, что водяной пар превращается в лед.
Чтобы получить ответ на этот вопрос российские и немецкие исследователи провели моделирование, которое раскрыло ранее неизвестный механизм, напоминающий насос.
В их симуляции всесторонне описываются потоки во всей атмосфере, окутывающей Марс: от поверхности планеты до слоев на высоте 160 километров.
Расчеты показывают, что ледяной средний слой газовой оболочки становится проницаемым для водяного пара два раза в день, но только в определенном месте планеты и в определенное время года (в определенной точке орбиты).
Орбита Марса играет в этом процессе решающую роль: путь планеты вокруг Солнца, который длится около двух земных лет, намного более эллиптический, чем у Земли.
В точке, ближайшей к Солнцу (примерно совпадает с летом в южном полушарии) Марс приблизительно на 42 миллиона километров ближе к нему, чем в самой дальней точке орбиты, поэтому лето в южном полушарии заметно теплее, чем в северном.
Когда в южном полушарии Марса наступает лето, то в определенное время дня водяные пары могут локально подниматься с более теплыми воздушными массами и достигать верхних слоев атмосферы.
Там воздушные потоки переносят газ к северному полюсу, где он снова охлаждается и оседает. Однако, часть водяного пара исключается из этого цикла: под воздействием солнечного излучения молекулы воды распадаются, а водород убегает в космос.
Этот необычный гидрологический цикл усиливается еще одной особенностью Марса — огромными пыльными бурями, которые охватывают весь Марс с интервалом в несколько лет.
Гигантское количество пыли, циркулирующей в атмосфере во время такой бури, облегчает транспортировку водяного пара в верхние слои атмосферы.
Последние раз такие пылевые штормы произошли на Марсе в 2007 и 2018 годах, они также были всесторонне задокументированы орбитальными зондами.
Ученые подсчитали, что во время пыльной бури 2007 года в верхние слои атмосферы Марса попало вдвое больше водяного пара, чем это происходит в спокойные для планеты времена.
Поскольку частицы пыли поглощают солнечный свет и, таким образом, происходит их нагрев, то температура атмосферы на Марсе повышается.
Полученная учеными из МФТИ и Института им. Макса Планка модель с беспрецедентной точностью показывает, как пыль в атмосфере влияет на микрофизические процессы, связанные с превращением льда в водяной пар.
Графики и приложения к исследовательской работе:
Рисунок 1. Вертикальный поток водяного пара
Рисунок 1. Сезонные вариации по широтам зонально усредненного вертикального потока водяного пара, смоделированного с использованием усредненных данных по количеству пыли в атмосфере на разных высотах: 0, 30, 60, 90, 120 и 150 км. Положительные значения (восходящие потоки) показаны красным, отрицательные (нисходящие) потоки показаны синим.
Таким образом, нас будут интересовать данные, в основном, в промежутке между Ls = 250◦ и 270◦.
Escape of hydrogen atoms into space near the exobase varies by an order of
magnitude seasonally, maximizing around southern summer solstice (solar longitude Ls ≈
270◦)
Обозначения на Рисунке 1 и Рисунках далее:
ppmv (parts per million by volume) — это единица концентрации в миллионных долях по объему;
Water vapor — водяной пар;
Altitude — высота над уровнем моря;
Latitude — широта;
Ls — солнечная долгота (solar longitude);
MY28 — Martian Year 28 (измерения во время 28-ого марсианского года);
Basic dust scenario («основной» пылевой сценарий) — использованы усредненные данные по количеству пыли в атмосфере (на основе данных марсианского зонда MAVEN, автоматической обсерватории «Хаббл», спутника Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) — с прибора Mars Climate Sounder (MCS), прибора PFS — MEX (Planetary Fourier Spectrometer on board Mars Express), аппарата Mars Global Surveyor);
Dust storm (пыльная буря) — использованы данные по количеству пыли в атмосфере в пыльной бури MY28.
Рисунок 2. Концентрация и температура водяного пара
Рисунок 2. Концентрация и температура водяного пара по высоте и широте, смоделированная с использованием усредненных данных по количеству пыли в атмосфере (графики в столбце слева) и в год пыльной бури MY28 (графики в столбце справа), все поля усреднены по зонам и за период между Ls = 250◦ и 270◦, где:
a) водяной пар (темные контуры), водяной лед (белые контуры) и меридиональный поток водяного пара (линии со стрелками, цвет и толщина которых указывают вертикальное направление и величину ppmv соответственно);
(b) то же, как на (а), но для пыльной бури во время MY28;
(c) график с температурой водяного потока для «основного» пылевого сценария;
(d) то же, как на ©, но для сценария пыльной бури во время MY28, за исключением контурных линий, которые показывают разницу температур между (d) и (c).
Видно, что во время бурь концентрация водяных паров в верхних слоях больше, а их температура выше.
Рисунок 3. Концентрация водяного пара на разных высотах и в разное время марсианских суток.
Сол — это марсианские сутки. Они чуть длиннее земных и составляют 24 часа, 39 минуты, 35,244 секунды. Год на Марсе равен 669,56 «солам» или 686,94 земным суткам.
Рисунок 3. Высотно-временное распределение отклонений от среднего значения для концентрации водяного пара (цветовые оттенки ppmv) и вертикальная скорость (на контурах, значения в м/с), по данным за период между Ls = 250◦ и 270◦ (координаты измерений — Lat 75S. Lon 0).
Положительные значения вертикальной скорости соответствуют восходящим движениям.
(а) «основной» пылевой сценарий:
(b) то же, как на (а), но для пыльной бури во время MY28:
Как видно, на втором графике в верхних слоях появляются больше окон с высокой концентрацией водяного пара с положительной вертикальной скоростью, которые образуют восходящие потоки далее в космическое пространство.
Рисунок 4. Годовой водный цикл.
Рисунок 4. Вертикальное распределение общего содержания воды (пар + лед), полученное:
(а) и © — днем и ночью по данным прибора Mars Climate Sounder (MCS), который установлен на аппарате Mars Reconnaissance Orbiter (MRO);
(b) и (d) — днем и ночью по данным из моделирования в исследовании.
На графиках Рисунка 4 выше:
— днем — это по данным в 15:00 дня по марсианскому времени;
— ночью — это по данным в 03:00 ночи по марсианскому времени.
На всех графиках Рисунка 4 значения по долготе и широте были усреднены.
При обработки данных при моделировании выполнялось усреднение по местным временам в периоды 14:00–16:00 и 02:00–04:00.
В заключении своей исследовательской работы авторы резюмируют, что атмосфера Марса более проницаема для водяного пара, чем земная, а раскрытый сезонный круговорот воды в значительной степени способствует продолжению функционирования природного механизма потери водных паров Марсом.
