В среднем каждые два земных года, в период когда в южном полушарии Марса идет лето, открывается "окно": только в это время года водяной пар может эффективно подниматься с нижних в верхние слои атмосферы Марса. Там ветры несут этот редкий газ на Северный полюс. Хотя часть водяного пара подвергается гидролизу и уходит в космос, остальная часть выпадает на поверхность возле полюсов. Исследователи из Московского физико-технического института и Института Макса Планка в Германии описывают этот необычный марсианский круговорот воды в последнем выпуске журнала Geophysical Research Letters. Компьютерное моделирование показывает, как водяной пар преодолевает барьер холодного воздуха в среднем слое атмосферы Марса и достигает его более высоких слоев. Это может объяснить, почему Марс, в отличие от Земли, потерял большую часть своей воды.
Миллиарды лет назад Марс был планетой, полной воды, которая текла в реках и даже в океане. С тех пор соседняя планета претерпела кардинальные изменения. Сегодня под поверхностью планеты существует лишь небольшое количество замерзшей воды; в атмосфере водяной пар встречается в следовых количествах. В общей сложности планета могла потерять не менее 80 процентов своей воды. В верхних слоях атмосферы Марса ультрафиолетовое излучение Солнца разбивает молекулы воды на водородные (H) и гидроксильные (OH) группы. Водород, как самый легкий элемент, уходит в межпланетное пространство. Измерения, сделанные космическими зондами и телескопами, показывают, что даже сегодня вода все еще уходит с Марса таким же образом. Но как это возможно? Средний слой атмосферы Марса, как и тропосфера Земли, должна останавливать рост количества водяного пара. В конце концов, регион обычно достаточно холодный, чтобы водяной пар превратился в лед. Так как же марсианский водяной пар проникает в верхние слои атмосферы?
В своих текущих исследованиях российские и немецкие исследователи обнаружили ранее неизвестный механизм, напоминающий насос. Разработанная ими модель полностью описывает потоки всей газовой оболочки, окружающей Марс, от поверхности до высоты 160 километров. Расчеты показывают, что обычно холодный средний слой атмосферы может становиться проницаемым для водяного пара два раза в день - но только в определенном месте, в определенное время года.
Марсианская орбита играет ключевую роль в этом процессе. Траектория орбиты Марса вокруг Солнца, год на котором составляет около двух земных лет, намного более эллиптическая, чем у нашей планеты. В ближней к Солнцу точке орбиты (которая совпадает с летом в южном полушарии) Марс расположен на 42 миллиона километров ближе к Солнцу, чем в самой отдаленной точке. Поэтому лето в южном полушарии заметно теплее, чем в северном полушарии.
«Когда лето наступает в южном полушарии, в определенное время дня водяной пар может локально всплывать с теплыми воздушными массами и достигать верхних слоев атмосферы», - говорит Пол Хартог из Университета Макса Планка, резюмируя результаты описанного исследования. В верхних слоях атмосферы воздух перемещает газ к Южному полюсу, где воздух охлаждается и снова падает на поверхность. Тем не менее, часть водяного пара теряется во время этого цикла: под воздействием солнечного излучения молекулы воды разрушаются и водород улетает в космос.
Еще одна особенность Марса может усилить этот необычный гидрологический цикл: мощные пыльные бури, которые покрывают всю планету и регулярно появляются на Марсе с интервалами в несколько лет. Мы наблюдали последние такие бури в 2007 и 2018 годах, когда они были тщательно исследованы зондами, кружившими вокруг Марса. «Количество пыли, заполняющей атмосферу во время такой бури, облегчает транспортировку водяного пара в верхние слои атмосферы», - говорит Александр Медведев из Московского физико-технического института.
Исследователи подсчитали, что во время пыльной бури в 2007 году вдвое больше водяного пара достигло верхних слоев атмосферы по сравнению с летними периодами в южном полушарии, когда штормов не было. Когда частицы пыли поглощают солнечный свет и нагреваются, температура во всей атмосфере возрастает до 30 градусов. «Наша модель с беспрецедентной точностью показывает, как пыль в атмосфере влияет на микроволновые процессы, связанные с превращением льда в водяной пар», - объясняет Дмитрий Шапошников из Московского физико-технического института, основной автор исследования.
«Очевидно, что марсианская атмосфера более проницаема для водяного пара, чем земная», - заключает Хартог. «Новый сезонный круговорот воды, который мы обнаружили, вносит значительный вклад в постоянную потерю воды Марсом».
Источник: Институт астрофизики Общества Макса Планка
Научная статья: https://dx.doi.org/10.1029/2019GL082839
