Американський супутник MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN — «Еволюція атмосфери і летких речовин на Марсі») і космічний телескоп «Хаббл» виявили на Марсі періодичні потоки атомів водню, «тікають» з верхніх шарів атмосфери в космічний простір.
Але в атмосфері Марса водню немає, отже, його джерелом може бути тільки вода, розпадається під впливом ультрафіолетового випромінювання Сонця на кисень і водень. Але як вона опинилася на висотах 70-80 км від поверхні і вище?
Проблема в тому, що атмосфера червоної планети холодна і розріджена, адже Марс розташований значно далі від Сонця, ніж Земля, і маса його атмосфери приблизно в 200 разів менше земного. У марсіанських умовах вода в атмосфері замерзає, утворюючи хмари, що складаються з дрібних кристаликів льоду. Оскільки кристалики льоду досить важкі, вода в атмосфері Марса в основному повинна знаходитися в нижньому шарі атмосфери на висотах нижче 60 км. Це нагадує земну атмосферу на великих висотах. На Землі подібні хмари, звані пір’ястими, утворюються на висотах приблизно 6-12 км від поверхні. Що ж змушує воду розумітися значно вище на недоступну висоту?
Схематичне зображення орбіти Марса і відповідні сезони.
На це питання відповіли фізики з Росії, що представляють МФТІ та Інститут космічних досліджень, і Німеччини. Вони висунули гіпотезу про існування своєрідного сонячного «насоса», «закачивающего» воду вгору і пояснили його природу й особливості поведінки. Згідно зі спостереженнями, кількість атомів водню, що відлітають у космічний простір, зростає під час літнього сонцестояння в північній півкулі і при пилових бурях. Причому коливання концентрації води у верхніх і нижніх шарах атмосфери відбуваються одночасно. Розроблену модель дослідники перевірили за допомогою чисельного моделювання. Вона добре узгоджується зі спостереженнями і дозволяє пояснити ряд раніше незрозумілих явищ в атмосфері Марса. Про це вони розповіли в журналі Geophysical Research Letters.
Вода на Марсі в основному зосереджена в нижніх шарах атмосфери, але вона може «просочитися» наверх, потрапивши в невеликій висхідний потік повітря. Він розташований між 20° і 70° південної широти, в основному у високих широтах вище 60°, і існує лише в літній час для південної півкулі, коли Марс виявляється в перигелії — найближчій до Сонця точці орбіти.
Справа в тому, що орбіта Марса більш витягнутим порівняно земної, яка майже кругова. При цьому пік літа в північній півкулі припадає на положення планети в афелії – найбільш віддаленій від Сонця точці орбіти. А вона на 40 мільйонів кілометрів далі перигелію. Тому літо в південній півкулі набагато тепліше, ніж у північній півкулі, і саме там виникає в атмосфері висхідний потік. Одночасно лід на поверхні Марса у південних широтах інтенсивно випаровується, і водяна пара піднімається до висоти 40 км Вище він утворює хмари з крижаних кристалів.
Автори образно назвали місце можливого підйому води «пляшковим горлечком». Якщо воді вдається подолати, сезонні вітри несуть її на північ, до полюса. По дорозі деяка її частина розпадається під дією сонячного ультрафіолету на водень і кисень, а основна, разом з остывающим повітрям, знову опускається в нижні шари атмосфери і конденсується в районі північного полюса.
Концентрація водяної пари в атмосфері залежно від сонячної довготи (Ls, значення 240-300 відповідають літа в південній півкулі), висоти (Altitude) від поверхні і географічної широти (Latitude). Низхідні потоки — сині, висхідні — червоні
Допомагають підйому води сонячні припливи. На Землі за припливи відповідає гравітація Місяця, однак супутники Марса Фобос і Деймос занадто малі, тому вплив тяжіння Сонця значно більше. В результаті вдень в марсіанській атмосфері виникає «відлив» – висхідний потік водяної пари, а ввечері відбувається «прилив» – спадний потік. Сонце працює як насос, який, «включаючись» вдень, допомагає воді подолати висоту в 60 км над поверхнею.
Досить складним чином впливають на кругообіг води марсіанські пилові бурі, які часом охоплюють собою всю планету. З одного боку, забруднене пилом повітря сильніше нагрівається, що перешкоджає конденсації води. З іншого боку, на частинках пилу легше формуються крижані кристалики і, отже, утворюється більше хмар. І, нарешті, бурі впливають на рух повітряних потоків.
В результаті при пилової бурі концентрація вологи в повітрі і швидкість повітряних потоків вище, тому «насос» здатний підняти більше води на велику висоту. Льодяні хмари при цьому стають більш щільними і розташовуються вище. Таким чином, підвищений вміст пилу в повітрі допомагає воді подолати «пляшкове горлечко» і потрапити у верхні шари атмосфери.
Можливо, цей процес сприяв втраті Марсом води зі своєї поверхні. Крім того, дослідження показало, наскільки істотними для глобального клімату можуть виявитися процеси в полярних областях планети. Це може виявитися корисним для розуміння процесів, що відбуваються в атмосфері Землі.
Робота була підтримана Російським науковим фондом.
